Schwarmverhalten, wie wir es etwa von Vögeln und Fischen kennen, dient als Inspiration für die Forschenden im jüngst von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) bewilligten Vorhaben. Ziel des mit 11 Mio. Euro geförderten Transregio-Sonderforschungsbereichs (TRR-SFB) „Quantenkooperativität von Licht und Materie“ ist es, kooperatives Verhalten in der Quantenwelt zu verstehen und nutzbar zu machen, um schlussendlich beispielsweise die Leistung bzw. Signalempfindlichkeit von Sensoren verbessern zu können. Im SFB vernetzen sich regionsübergreifend mehrere Universitäten. Jun.-Prof. Elke Neu-Ruffing von der TU Kaiserslautern (TUK), ist mit ihrer Arbeitsgruppe mit einem Teilprojekt eingebunden.
Die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) bildet in leitender Funktion zusammen mit der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der Universität des Saarlandes das Kernteam im neuen TRR-SFB „QuCoLiMa“. Die Forschenden untersuchen kollektives Verhalten in der Quantenwelt. Als Grundlage dient das aus der Tierwelt bekannte Phänomen des Schwarmverhaltens – sprich, dass die Zusammenarbeit Wirkungen entfaltet, die über die Summe der einzelnen Beiträge hinausgeht. Untersuchungsgegenstand sind Wechselwirkungen an der Schnittstelle von Quantenoptik und kondensierter Materie. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen im Rahmen des TRR-SFB letztlich herausfinden, ob und wie kooperatives Verhalten in der Quantenwelt entsteht und wie sich dieses kontrollieren lässt. Die Erkenntnisse sollen unter anderem in Form von abhörsicherer Kommunikationstechnik, leistungsstarken Sensoren und Computern Anwendung finden.
„Wir bringen eine kleine Anzahl atomähnlicher Teilchen in ein geschlossenes System, einen sogenannten Resonator aus Siliciumcarbid“, erklärt Neu-Ruffing. „Das Licht, das die Teilchen emittieren, wird immer wieder zu ihnen zurückgeworfen, was letztlich dazu führt, dass das Lichtaussenden synchronisiert erfolgt. Die Teilchen bilden auf diese Weise zusammen mit dem Licht ein kollektives System. Untersuchungen zu kollektiven Quantensystemen gab es zwar schon, aber noch nie in diesem neuen Materialsystem. Mit unserem Ansatz können wir viel besser nachvollziehen, wie die Effekte entstehen und darauf aufbauen.“
Während die Kaiserslauterer Physikerin mit Licht arbeitet, untersucht die FAU parallel kollektives Teilchenverhalten in Zusammenhang mit mechanischen Schwingungen. Die Johannes Kepler Universität Linz sorgt für den theoretischen Unterbau und berechnet die Auswirkungen von Licht und Schwingung in den geschlossenen Systemen bzw. Resonatoren.
Eine wichtige Rolle spielt das Siliciumcarbid als „Baumaterial“ für die Resonatoren und zum Erzeugen der atomähnlichen Systeme. „Wir nutzen diese chemische Verbindung als Plattform, um unsere Systeme sehr nah an existierende Technik anzulehnen. Siliciumcarbid findet in Form von Halbleiterbausteinen in der Leistungselektronik heutzutage bereits breite Anwendung“, so Neu-Ruffing. „Die Zukunftsvision ist, dass unsere Erkenntnisse es ermöglichen, die Quantentechnologien an klassische Technologien anzubinden.“
Im Hinblick auf künftige Anwendungsszenarien nennt Neu-Ruffing Quantensensoren als Beispiel: „Wenn sich ein Sensor quantenmechanisch verhält, ist er sehr viel empfindlicher für eingehende Impulse aus seiner Umwelt“, erläutert die Physikerin. „Diffuse Signale wie etwa ein Rauschen lassen sich damit beispielsweise deutlich besser messen.“ Die gemeinsame Forschung an kollektiven Quantensystemen im Transregio-Sonderforschungsbereich QuCoLiMa soll den Weg bereiten, derartiges Potenzial z.B. in der Sensorik freizusetzen sowie Fortschritte in der Informations- und Kommunikationstechnik zu ermöglichen.
Quelle Text/Bild:
TU Kaiserslautern
Hochschulkommunikation
Gottlieb-Daimler-Straße 47
67663 Kaiserslautern
www.uni-kl.de
Kaiserslautern: 11.12.2020
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