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 Highlight der Halbleiter-Forschung
20.02.2018 | Technische Universität Chemnitz

nachricht Beobachtung und Kontrolle ultraschneller Prozesse mit Attosekunden-Auflösung
20.02.2018 | Technische Universität München

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: Innovation im Leichtbaubereich: Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon

Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen ist eines der zentralen Zukunftsthemen unserer Gesellschaft. Besonders in der Luftfahrtindustrie und in anderen Transportbereichen sind Leichtbaustrukturen gefragt. Sie ermöglichen Energieeinsparungen und reduzieren den Ressourcenverbrauch bei Treibstoffen und Material. Zum Einsatz kommen dabei Verbundmaterialien in der so genannten Sandwich-Bauweise. Diese bestehen aus zwei dünnen, steifen und hochfesten Deckschichten mit einer dazwischen liegenden dicken, vergleichsweise leichten und weichen Mittelschicht, dem Sandwich-Kern.

Aramidpapier ist ein etabliertes Material für solche Sandwichkerne. Sein mechanisches Strukturversagen ist jedoch noch unzureichend erforscht: Bislang fehlten...

Im Focus: Die Brücke, die sich dehnen kann

Brücken verformen sich, daher baut man normalerweise Dehnfugen ein. An der TU Wien wurde eine Technik entwickelt, die ohne Fugen auskommt und dadurch viel Geld und Aufwand spart.

Wer im Auto mit flottem Tempo über eine Brücke fährt, spürt es sofort: Meist rumpelt man am Anfang und am Ende der Brücke über eine Dehnfuge, die dort...

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Im Focus: In best circles: First integrated circuit from self-assembled polymer

For the first time, a team of researchers at the Max-Planck Institute (MPI) for Polymer Research in Mainz, Germany, has succeeded in making an integrated circuit (IC) from just a monolayer of a semiconducting polymer via a bottom-up, self-assembly approach.

In the self-assembly process, the semiconducting polymer arranges itself into an ordered monolayer in a transistor. The transistors are binary switches used...

Im Focus: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

Tag der Seltenen Erkrankungen – Deutsche Leberstiftung informiert über seltene Lebererkrankungen

21.02.2018 | Veranstaltungen

Digitalisierung auf dem Prüfstand: Hochkarätige Konferenz zu Empowerment in der agilen Arbeitswelt

20.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Kameratechnologie in Fahrzeugen: Bilddaten latenzarm komprimiert

21.02.2018 | Messenachrichten

Mit grüner Chemie gegen Malaria

21.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Periimplantitis: BMBF fördert zahnärztliches Verbund-Projekt mit 1,1 Millionen Euro

21.02.2018 | Förderungen Preise

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics