Abbildung und Kontrolle von Quantensystemen: Um Strukturdynamik vollständig zu verstehen, benötigt man Informationen sowohl über die elektronischen als auch die Kernfreiheitsgrade. Das Forschungsfeld A benutzt fortgeschrittene optische Bildgebungstechniken, um Schlüsselmerkmale zu identifizieren, die eine Kontrolle der Entwicklung eines Quantenzustands ermöglichen.
Darstellung ultrakalter Atome in einem hexagonalen optischen Gitter in Abhängigkeit vom Spin. Soltan-Panahi et al., Nature Physics 7, 434 (2011)
Wir erhoffen uns, die Chemie entlang der elektronischen Grundzustandsfläche steuern zu können, um damit die Möglichkeit zu erschließen, molekulare Systeme auf der atomaren Ebene betrachten zu können. Neben kleinen Molekülen und kollektiven Effekten in Festkörpern oder periodischen Medien untersuchen wir zum einen isolierte Moleküle systematisch, bei denen kleine Barrieren die verschiedenen Strukturen trennen, zum anderen berücksichtigen wir aber auch eine Ankoppelung an die Umgebung. Das genaue Verständnis der elektronischen Kopplung an das Bad versetzt uns in die Lage, Kohärenz und Dissipation so zu kontrollieren, dass Materialeigenschaften gesteuert werden können. Im Fall von hoch-korrelierten Elektronen-Gittersystemen entstehen dadurch neue Möglichkeiten, Kohärenz und makroskopische Eigenschaften so zu beherrschen, dass letztendlich transiente supraleitende Zustände bei hohen Temperaturen erzeugt werden können. Die Entwicklung neuartiger Materialien mit einzigartigen Eigenschaften wird hierbei sehr von unseren Möglichkeiten begünstigt, vollständig kontrollierbare Quantensimulatoren zu bauen, die auf der Ausbildung periodischer Strukturen in ultrakalten Quantengasen beruhen. In diesen analogen Quantenprozessoren wird ultrakalte Materie derart maßgeschneidert, um Phänomene des Magnetismus und der Supraleitung unter idealisierten Bedingungen nachzuahmen. Neben dem Einfluss von langreichweitigen Korrelationen auf Materialeigenschaften sind grundlegende Fragen in Bezug auf die Rolle des Transportes von Quanteninformationen in solchen stark quantisierten Systemen zu klären. Zu diesem Zweck untersuchen wir die Kohärenzeigenschaften von Materiewellen, die aus einem makroskopischen Quantenobjekt wie etwa einem Bose-Einstein-Kondensat austreten.
Forschungsschwerpunkt A.1: Photogetriebene Dynamik mit Kopplung an elektronische Anregungen
Das Verständnis und die Steuerung der Dynamik chemischer Reaktionen stellen ein anspruchsvolles wissenschaftliches Gebiet dar. In den letzten Jahrzenten wurden Messgeräte entwickelt, die es nun erlauben untern den Myriaden von Möglichkeit diejenigen spezifischen Bewegungen zu bestimmen, die zu den Produkten der Reaktionen führen. Darin besteht das Wunder in chemischen Systemen; üblicherweise gibt es nur einige wenige Moden, die den Prozess infolge der exponentiellen Abhängigkeit vom Verlauf der komplexen Energielandschaft führen. Abgesehen für einige wenige einfache Moleküle besitzen wir kaum „Karten“ solcher Energielandschaften; und doch nutzen Chemiker das gespeicherte chemische Potential routinemäßig, ohne den Prozess vollständig zu verstehen. Wir gehen daher neue Wege, um chemische Reaktionen verfolgen und die auftretenden Kräfte besser vermessen zu können, um schließlich laserbasierte Methoden zur Kontrolle und Steuerung zu entwickeln.
Durch die Einführung der Femtosekunden VUV- und Röntgenlicht-Spektroskopie ist die Dynamik der Rumpfelektronen während einer photoinduzierten Strukturveränderung mittlerweile zugänglich. Durch die zeitliche Beobachtung der Strukturdynamik liefert diese Art von Experimenten wichtige Informationen über elektronische Korrelationseffekte und Elementspezifität und dringt in neue Bereiche vor, in denen die Photophysik des Probe-Ereignisses vollständig verstanden werden muss.
Die Wechselwirkung mit Pulsen kurzer Wellenlänge ist in vielerlei Hinsicht anders als die mit Strahlung im sichtbaren Bereich. Dabei auftretende Effekte betreffen die Erzeugung hochangeregter elektronischer Zustände und die einhergehende Beteiligung vieler Elektronen. Die Primäranregung infolge der Adsorption eines oder mehrere Photonen kann linear oder nichtlinear sein, lässt jedoch üblicherweise ein Loch in den inneren Schalen des Elektronensystems zurück. Auf dieses Ereignis folgt eine Kaskade von Prozessen, die sowohl die Bewegung von Elektronen als auch von Kernen beinhalten.
Daraus ergibt sich, dass die Materie von „innen heraus“ modifiziert wird und nicht wie bei Anregungen durch Licht im sichtbaren Bereich auf der Ebene der schwach gebundenen Valenzelektronen. Ein anderer Aspekt der direkten Manipulation der inneren Schalen besteht in der energetischen Selektivität, die es erlaubt, eine spezifische atomare Einheit in einem großen Molekül oder einem Festkörper anzusprechen und die lokale elektronische Umgebung zu erforschen. Untersuchungen an Wasserclustern sind für die strukturellen Untersuchungen von flüssigem Wasser von Nutzen und bringen interessante Synergien mit sich.
Ultrakurze Röntgenstrahlenpulse in Verbindung mit zeitauflösender Detektortechnik ermöglichen es, örtlich lokalisierte und zeitlich aufgelöste Informationen über die ultraschnelle elektronische und chemische Dynamik nach einer optischen Anregung zu erhalten. Lichtpulse von 3 nm bis zu 300.000 nm dienen dazu, die Bewegung von Ladungen innerhalb eines Moleküls oder zwischen Molekülen und einer Oberfläche auf den relevanten Femto- bis Attosekunden Zeitskalen zu verfolgen. Licht wird auch dazu verwendet, die gegenseitige Ausrichtung von Molekülen im Raum zu steuern. Dies ist besonders wichtig für dynamische Beugung, bei der jede Ausrichtung der ansonsten zufällig orientierten Moleküle unentbehrlich ist, um den Hintergrund in den gewonnenen Abbildungen zu unterdrücken.
Forschungsschwerpunkt A.2: Chemische Dynamik in komplexen Umgebungen in Echtzeit
Das Hauptziel dieses Schwerpunktes besteht darin, entscheidende Schritte in Richtung einer zeitaufgelösten Untersuchung chemischer Reaktionen in einer Umgebung zu verwirklichen. Das Bad kann etwa durch ein Lösungsmittel wie Wasser bei einer chemischen Reaktion oder durch eine feste Oberfläche bei der heterogenen Katalyse gegeben sein. Aufgrund der Komplexität des Problems ist bisher im Allgemeinen kaum verstanden, wie das Bad die Chemie der Reaktion beeinflusst. Durch eine systematische Untersuchung der Reaktionsdynamik mit Femtosekundenauflösung für mehrere chemisch unterschiedliche, wohldefinierte Umgebungen erhalten wir Einblicke, welche Rolle das Bad jeweils bei einer chemischen Reaktion spielt. Ein damit eng verbundenes Problem besteht in der Tatsache, dass für eine zeitaufgelöste Betrachtung der atomaren Bewegungen während einer chemischen Reaktion ein großer Bruchteil der beteiligten Reaktionspartner dazu gebracht werden muss, die chemische Reaktion zur selben Zeit zu durchlaufen. Die Notwendigkeit, mit einem Trigger zu arbeiten, der schneller ist als die Zeitskala der betrachteten Dynamik, ist der Grund, weshalb sich die Femtochemie heutzutage im Wesentlichen auf photochemische Reaktionen beschränkt, die in Verbindung mit elektronisch angeregten Zuständen der Reaktionsteilnehmer stehen. Wir ergründen die Möglichkeit, durch die Anwendung ultraschneller Terahertz- und Infrarot-Pump-Pulse in Verbindung mit Elektronenstrukturtheorie und ab initio Molekulardynamik thermische chemische Reaktionen zu triggern. Die Forschungsarbeiten werden letztendlich von dem Traum angetrieben, den Übergangszustand und den damit einhergehenden Mechanismus von chemischen Reaktionen direkt und zeitaufgelöst beobachten zu können.
Forschungsschwerpunkt A.3: Abbildung der lokalen und globalen Kohärenz von suprafluider Materie – Dynamik und Kontrolle von Quantenmaterie
Suprafluidität ist ein fundamental wichtiges Phänomen in der Physik mit wichtigem Bezug zu Supraflüssigkeiten, Supraleitern verschiedenen Typs und künstlichen Quantengasmodellen. Charakteristisch für Suprafluidität ist das Auftreten langreichweitiger Kohärenz, d.h. räumlich voneinander getrennte Bereiche oszillieren in Phase. Derartige Konzepte spielen eine Rolle, wenn wir ein Quantenobjekt mit einer Lichtwelle abtasten, die dem Objekt ihre Phase gleichmäßig und simultan aufdrängt. Der Austausch von Informationen innerhalb des Objekts ist offensichtlich durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt, andererseits erwarten wir, dass alle Komponenten der Wellenfunktion verschränkt sind, wodurch eine Antwort auf eine Messung unbegrenzt schnell erfolgt. Unsere Möglichkeiten, Quantenflüssigkeiten mit 100 Mikrometer Ausdehnung zu erzeugen in Verbindung mit Methoden der Photonik, elektronische Prozesse auf atomarer Zeitskala aufzulösen, erlaubt es uns nun, die Verteilung und Ausbreitung von Information in Supraflüssigkeiten zu betrachten. Hierfür untersuchen wir das Zusammenspiel von kurz- und langreichweitiger Kohärenz in Supraflüssigkeiten. Die zentrale Frage hierbei lautet, inwieweit wir das Entstehen lokaler Kohärenz und ihr Zusammenspiel mit globaler Kohärenz sichtbar machen können. Wur untersuchen besonders ultrakalte Quantengase sein, da sich mit ihnen wohlkontrollierte und definierte Kohärenzeigenschaften erzeugen lassen. Diese Untersuchungen sind auch für jede Art suprafluider Materie von Bedeutung.
Forschungsschwerpunkt A.4: Gekoppelte zweidimensionale Supraleiter
Hochtemperatursupraleitung ist eines der wichtigsten und doch auch ein schwer zugängliches Probleme der modernen Physik, das Theoretiker und Experimentatoren gleichermaßen vor Rätsel stellt. Die physikalische Struktur solcher Supraleiter wird durch Schichten aus CuO Ebenen geprägt. In diesem Bild ist die Wechselspiel zwischen der zweidimensionalen Physik der Ebenen, die die CuO Bindungen enthalten, und der dreidimensionalen Phänomenologie noch nicht gut verstanden. Ist beispielsweise die Tunnelkopplung zwischen den zweidimensionalen Schichten unbedingt erforderlich? Welchen Einfluss hat die Kopplung an das Phononenbad auf die Materialeigenschaften? Die Freiheitsgrade der Orbitale verkomplizieren die Betrachtungen zudem und lassen ein Problem entstehen, dass durch eine Vielzahl konkurrierender Phasen geprägt ist.
In diesem Schwerpunkt ergründen wir die grundlegenden Eigenschaften gekoppelter zweidimensionaler Quantensysteme und erhalten damit neue Einblicke in diese wichtigen Fragestellungen. Die kürzlich erzielten spektakulären Fortschritte in den Bereichen der ultraschnellen Kontrolle von Festkörpern und von verdünnten Quantengasen – Gebiete, in denen wir ausgewiesene Fachkenntnis besitzen – haben die einmalige Möglichkeit eröffnet, dieses Problem umfangreich anzugehen.
Die zentralen Fragen, die uns in diesem Projekt leiten, betreffen das grundlegende Thema der konkurrierenden Ordnung in Quanten-Vielteilchensystemen und die damit verbundene Dynamik. Wir lösen diese Dynamik durch Femtosekunden-Laserpulse in kondensierter Materie bzw. durch Quenchen externer Parameter in ultrakalten Atomsystemen aus. Konkurrierende Ordnung und deren Dynamik ist nicht nur in der Vielteilchenphysik von hervorgehobener Bedeutung, sondern wirft sofort die Frage auf, ob die kritische Temperatur von Supraleitern dynamisch erhöht werden kann und den Übergang von einem transienten, metastabilen Zustand in einen technologisch nutzbaren Bereich ermöglicht.
Beteiligte Forschungsgruppen
- Prof. C. Bressler
- Prof. A. Cavalieri
- Prof. A. Cavalleri
- Prof. J. Dalibard
- Prof. M. Drescher
- Prof. U. Frühling
- Prof. A. Hemmerich
- Prof. G. Huber
- Prof. F. Kärtner
- Dr. C. Kränkel
- Prof. J. Küpper
- Dr. T. Laarmann
- Prof. A. Lichtenstein
- Prof. L. Mathey
- Dr. M. Meyer
- Prof. H. Moritz
- Prof. D. Pfannkuche
- Prof. M. Potthoff
- Prof. R. Santra
- Prof. P. Schmelcher
- Prof. K. Sengstock
- Prof. M. Thorwart
- Dr. O. Vendrell
- Prof. W. Wurth