Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Quantum Licht für die Materialwissenschaften

02.12.2015

Bisher wurde in Computersimulationen zur Vorhersage des Einflusses elektromagnetischer Strahlung auf Moleküle, Nanostrukturen oder Festkörper angenommen, dass Licht sich klassisch verhält.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie am CFEL in Hamburg und des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin haben nun gezeigt, wie man in solchen Simulationen die Quantennatur des Lichts berücksichtigt. Die heute in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichte Methode könnte in Zukunft dafür genutzt werden, Materialeigenschaften gezielt mit Photonen zu verändern.


Die Ladungsdichte eines Elektrons (in blau) verändert sich durch die Wechselwirkung mit Photonen (in rot).

Grafik: © J.M. Harms/MPSD

Atome, Moleküle und Festkörper bestehen aus positiv geladenen Kernen und negativ geladenen Elektronen. Die meisten physikalischen und chemischen Eigenschaften von Materie werden durch die Wechselwirkung dieser fundamentalen Bestandteile bestimmt.

Die elektrisch geladenen Teilchen interagieren dabei, indem sie Photonen, die Quantenteilchen des elektromagnetischen Feldes, austauschen. Wie dies geschieht, wird durch die Gleichungen der Quantenelektrodynamik beschrieben.

Da diese Gleichungen ausgesprochen schwer zu lösen sind, muss man sie stark vereinfachen, um sie auf reale Materialen anwenden zu können. So nimmt man in der Quantenchemie oder der Festkörperphysik üblicherweise an, dass man die Quantennatur des Lichts vernachlässigen kann.

Obwohl diese Annahme oft gerechtfertigt ist, haben kürzlich durchgeführte Experimente gezeigt, dass die Quanteneigenschaft des Lichts das Verhalten von Materialien in bestimmten Situationen dramatisch verändern kann.

Herkömmliche Computersimulationen komplexer Quantensysteme behandeln elektromagnetische Strahlung jedoch klassisch. Um auch in solchen Situationen Vorhersagen treffen zu können, haben Wissenschaftler der Theorieabteilung des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie, geleitet von Prof. Angel Rubio, eine neue Simulationsmethode vorgeschlagen, welche die Quantennatur des Lichts berücksichtigt.

In ihrem neuen Ansatz beschreiben die Wissenschaftler das System aus geladenen Teilchen und Photonen als Quantenflüssigkeit. Hierbei bilden die Teilchen einen Ladungsstrom, der ein klassisches elektromagnetisches Feld erzeugt, welches wiederum auf sehr komplexe Weise auf den Ladungsstrom zurückwirkt. In der aktuellen Arbeit zeigen die Forscher wie dieser Ansatz das Verhalten eines stark mit den Photonen wechselwirkenden Elektrons auf einer Oberfläche richtig beschreiben kann.

„Der Vorteil dieser Formulierung des gekoppelten Elektronen-Photonen Problems ist, dass man Näherungen finden kann, die Teilchen und Photonen gleichermaßen beschreiben“, sagt Johannes Flick, einer der Hauptautoren der Arbeit. „Dadurch ergibt sich die Möglichkeit neuartiger Computersimulationen, welche die Photonen nicht vernachlässigen, aber nach wie vor einfach und praktikabel bleiben“, fügt Michael Ruggenthaler, Zweitautor der Studie, hinzu.

Als nächsten Schritt will Rubios Team die entwickelte Methode verwenden, um komplexe Quantensysteme in Situationen zu untersuchen, in denen Photonen vermutlich eine wichtige Rolle spielen. Dadurch wollen sie verstehen wie die Quantennatur des Lichts die Eigenschaften von Materialien verändert. Dies könnte in Zukunft neue Wege eröffnen, um chemische Reaktionen in komplexen Systemen wie Biomolekülen zu kontrollieren und neue Materiezustände zu finden.

Ansprechpartner:
Dr. Michael Ruggenthaler
Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
Center for Free-Electron Laser Science
Luruper Chaussee 149
22761 Hamburg
Germany
+49 (0)40 8998-6554
michael.ruggenthaler@mpsd.mpg.de

Originalpublikation:
J. Flick, M. Ruggenthaler, H. Appel, and A. Rubio, “Kohn–Sham approach to quantum electrodynamical density-functional theory: Exact time-dependent effective potentials in real space,” Proceedings of the National Academy of Sciences (2015), DOI: 10.1073/pnas.1518224112

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1518224112 Originalpublikation
http://www.mpsd.mpg.de/115242/theod Forschungsgruppe von Prof. Dr. Angel Rubio
http://www.mpsd.mpg.de Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Dr. Michael Grefe | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quantenmechanik ist komplex genug – vorerst …
21.04.2017 | Universität Wien

nachricht Tief im Inneren von M87
20.04.2017 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Im Focus: Tief im Inneren von M87

Die Galaxie M87 enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch von sechs Milliarden Sonnenmassen im Zentrum. Ihr leuchtkräftiger Jet dominiert das beobachtete Spektrum über einen Frequenzbereich von 10 Größenordnungen. Aufgrund ihrer Nähe, des ausgeprägten Jets und des sehr massereichen Schwarzen Lochs stellt M87 ein ideales Laboratorium dar, um die Entstehung, Beschleunigung und Bündelung der Materie in relativistischen Jets zu erforschen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom MPIfR Bonn liefert Hinweise für die Verbindung von Akkretionsscheibe und Jet von M87 durch turbulente Prozesse und damit neue Erkenntnisse für das Problem des Ursprungs von astrophysikalischen Jets.

Supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind eines der rätselhaftesten Phänomene in der modernen Astrophysik. Ihr gewaltiger...

Im Focus: Deep inside Galaxy M87

The nearby, giant radio galaxy M87 hosts a supermassive black hole (BH) and is well-known for its bright jet dominating the spectrum over ten orders of magnitude in frequency. Due to its proximity, jet prominence, and the large black hole mass, M87 is the best laboratory for investigating the formation, acceleration, and collimation of relativistic jets. A research team led by Silke Britzen from the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, has found strong indication for turbulent processes connecting the accretion disk and the jet of that galaxy providing insights into the longstanding problem of the origin of astrophysical jets.

Supermassive black holes form some of the most enigmatic phenomena in astrophysics. Their enormous energy output is supposed to be generated by the...

Im Focus: Neu entdeckter Exoplanet könnte bester Kandidat für die Suche nach Leben sein

Supererde in bewohnbarer Zone um aktivitätsschwachen roten Zwergstern gefunden

Ein Exoplanet, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt einen roten Zwergstern umkreist, könnte in naher Zukunft der beste Ort sein, um außerhalb des...

Im Focus: Resistiver Schaltmechanismus aufgeklärt

Sie erlauben energiesparendes Schalten innerhalb von Nanosekunden, und die gespeicherten Informationen bleiben auf Dauer erhalten: ReRAM-Speicher gelten als Hoffnungsträger für die Datenspeicher der Zukunft.

Wie ReRAM-Zellen genau funktionieren, ist jedoch bisher nicht vollständig verstanden. Insbesondere die Details der ablaufenden chemischen Reaktionen geben den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

Baukultur: Mehr Qualität durch Gestaltungsbeiräte

21.04.2017 | Veranstaltungen

Licht - ein Werkzeug für die Laborbranche

20.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligenter Werkstattwagen unterstützt Mensch in der Produktion

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Forschungszentrum Jülich auf der Hannover Messe 2017

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten