Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kontrolle thermoelektrischer Ströme mittels Quantenbeobachtungen

12.07.2017

Wissenschaftler der Theorie Abteilung des MPSD haben festgestellt, wie man thermische und elektrische Ströme in Nanostrukturen durch lokale Quantenbeobachtungen steuern kann.

Messungen spielen eine fundamentale Rolle in der Quantenmechanik und sind gleichzeitig tief mit der Frage der Interpretation der Quantenphysik verwurzelt. Die bekannteste Illustration der Prinzipien der Superposition und Verschränkung in der Quantenphysik ist Schrödingers Katze. Diese Katze befindet sich, von aussen nicht sichtbar, in einer kohärenten Überlagerung zweier Zustände, sie ist zur gleichen Zeit lebendig als auch tot.


Künstlerische Darstellung der Rolle eines Quantenbeobachters in einem Nanosystem

© K. Aranburu

Durch eine Messung bricht diese Superposition auf einen konkreten Zustand zusammen, die Katze ist nun entweder tot oder lebendig. In diesem Gedankenexperiment wird der Messprozess der "Quantenkatze" als eine Wechselwirkung mit einem makroskopischen Objekt angesehen welche die Kohärenz des Quantensystems zerstört.

Im neu veröffentlichten Artikel im Journal Natur PJ Quantum Materials haben Wissenschaftler aus dem MPSD (Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie) bei CFEL (Zentrum für Freie-Elektronen-Laser-Wissenschaft) in Hamburg zusammen mit Mitarbeitern der Universität des Baskenlandes (UPV/EHU) in San Sebastian und dem Bremer Zentrum für Computational Materials Science (BCCMS) entdeckt, dass ein mikroskopischer Quantenbeobachter in der Lage ist, thermische und elektrische Ströme in Geräten auf der Nanometerskala zu kontrollieren.

Diese lokale Quantenbeobachtung eines Systems kann kontinuierliche und dynamische Änderungen in seiner Quantenkohärenz erzeugen, so dass Partikel- und Energieströme in Nanosystemen gesteuert werden können.

Klassische Nichtgleichgewichtsthermodynamik wurde entwickelt, um den Strom von Partikeln und Energie zwischen mehreren Hitze- und Partikelreservoirs zu verstehen. Das bekannteste Beispiel ist die Formulierung des zweiten Gesetzes der Thermodynamik von Clausius, aus der hervorgeht, dass, wenn zwei Gegenstände mit unterschiedlichen Temperaturen in Berührung gebracht werden, Wärme ausschließlich von dem heißeren zum kälteren Objekt fließen kann.

Bei makroskopischen Objekten werden weder der Energiefluss als auch der Teilchenfluss zwischen den Objekten nicht durch die Beobachtung des Prozesses verändert. In der Quantenwelt sieht dies jedoch anders aus, hier müssen klassische thermodynamische Konzepte hinterfragt und rekapituliert werden. Wenn ein makroskopischer Beobachter ein Quantensystem misst, zerstört dieser Messprozess den größten Teil der Kohärenz innerhalb des Systems und bestimmt seine Dynamik.

Wenn stattdessen ein mikroskopisch kleiner Quantenbeobachter nur lokal wirkt, ändert sich die Quantenkohärenz des Systems kontinuierlich und dynamisch. Dadurch wird ein weiteres Maß an Kontrolle über seine Eigenschaften erreicht. Je nachdem, wie stark und wo diese lokalen Quantenbeobachtungen durchgeführt werden, entstehen neue und überraschende Quanten Transportphänomene.

Die Gruppe von Prof. Angel Rubio an der Theorieabteilung des MPSD zusammen mit ihren Forschungspartnern haben gezeigt, wie das Konzept der Quantenmessungen neue Möglichkeiten für die thermodynamische Steuerung der Energie und Teilchenströme in Quantensystemen bieten kann. Dieses Konzept bietet Möglichkeiten weit über denen, die durch die Anwendung von klassischen thermischen Reservoirs möglich sind.

Die Wissenschaftler studierten dieses theoretische Konzept in einer Brownschen Quantenratsche. Innerhalb dieses Systems sind die linke und rechte Seite jeweils mit einem heißen und einem kalten thermischen Bad verbunden. Diese Konfiguration lässt die Energie von heiß nach kalt fließen, während die Elektronen im Uhrzeigersinn innerhalb der Brownschen Ratsche fließen. Die Wirkung eines Quantenbeobachters zwingt jedoch, diesen Elektronenstrom gegen die natürliche Richtung der Nanomaschine zu fließen. Dieses Phänomen wird durch die Lokalisierung des elektronischen Zustandes und die Störung der Symmetrie des Systems verursacht.

Darüber hinaus ist die Quantenbeobachtung in der Lage, die Richtung des Wärmestroms umzukehren, was einen Widerspruch des zweiten Gesetzes der Thermodynamik darzustellen scheint. "Diese Kontrollmöglichkeit der thermoelektrischen Ströme könnte verschiedene Strategien eröffnen, um quantenmechanische Transportsysteme zu konzipieren mit Anwendungen in der Thermoelektrizität, Spintronik, Photonik und Sensorik. Diese Ergebnisse waren ein wichtiger Beitrag zu meiner Doktorarbeit", sagt Robert Biele, Erstautor der Publikation.

Diese Forschungsarbeit hebt die fundamentale Rolle eines Quantenbeobachters hervor: Im Gegensatz zur Schrödinger Katze, wo die kohärente Überlagerung von Zuständen durch die Wechselwirkung mit einem makroskopischen "Beobachter" zerstört wird, ändert der lokale Quantenbeobachter örtlich und dynamisch die Kohärenz und ermöglicht damit eine feine Einstellung zwischen diesen Quantenzuständen. "Dies zeigt, wie anders sich die Thermodynamik im Quantenregime verhält. Schrödingers Katzenparadox führt zu neuen thermodynamischen Kräften, die nie zuvor gesehen wurden ", ergänzt César A. Rodríguez Rosario.

Zukünftig werden die Forscher dieses Konzept anwenden, um Spins für Anwendungen in Spin-Injektion und neuartige Magnetspeicher zu kontrollieren. Angel Rubio suggeriert: "Dieser Quantenbeobachter - der bisher nur die Partikel- und Energieübertragung im Nanometerbereich kontrolliert- könnte auch einzelne Komponenten des Spins messen und damit Spin-polarisierte Ströme ohne Spin-Bahn-Wechselwirkung erzeugen. Dies könnte verwendet werden, um Magnetspeicher zu schreiben."

Diese Untersuchungen wurde in Zusammenarbeit vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg mit der NanoBio-Spektroskopie-Gruppe an der Universität des Baskenlandes in San Sebastian (UPV/EHU) und dem Bremer Zentrum für Computational Materials Science (BCCMS) durchgeführt. Die Finanzierung erfolgte durch den European Research Council Advanced Grant "Qspec-NewMat", Grupos Consolidados del Gobierno Vasco und den Marie Skłodowska-Curie Actions - Individual Fellowships.

Kontakte: Dr. César Alberto Rodriguez Rosario, Postdoktorand Telefon: +49 (0)40 8998-6643 cesar-a.rodriguez-rosario@mpsd.mpg.de
Prof. Dr. Angel Rubio, Geschäftsführender Direktor MPSD: Telefon: +49 (0)40 8998-6550 angel.rubio@mpsd.mpg.de

Vollständige Bildunterschrift:
Künstlerische Darstellung der Rolle eines Quantenbeobachters in einem Nanosystem: Wenn man nur den rechten Teil der Figur beobachtet (indem man den linken Teil mit der Hand abdeckt), scheint das Wasser den Kanal abwärts zu fließen. Betrachtet man jedoch das gesamte Bild, fließt das Wasser tatsächlich aufwärts. Dieses scheinbare Paradoxon ahmt die kohärente Überlagerung von zwei Quantenzuständen nach (Wasser, das auf- bzw. abwärts fließt). Durch Beobachtungen an bestimmten Teilen des Systems können wir zwischen diesen beiden Zuständen wechseln und damit die "physikalische Antwort des Nanosystems" kontrolliert verändern.

Weitere Informationen:

https://www.nature.com/articles/s41535-017-0043-6 (Originalpublikation)
http://www.mpsd.mpg.de/419754/2017-07-THERMOELECTRICS_Observe_control (MPSD-Website)

Jenny Witt | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Rasende Elektronen unter Kontrolle
16.11.2018 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht Kometen als Wasserträger für Exoplaneten
15.11.2018 | Universität Wien

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: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Im Focus: UNH scientists help provide first-ever views of elusive energy explosion

Researchers at the University of New Hampshire have captured a difficult-to-view singular event involving "magnetic reconnection"--the process by which sparse particles and energy around Earth collide producing a quick but mighty explosion--in the Earth's magnetotail, the magnetic environment that trails behind the planet.

Magnetic reconnection has remained a bit of a mystery to scientists. They know it exists and have documented the effects that the energy explosions can...

Im Focus: Eine kalte Supererde in unserer Nachbarschaft

Der sechs Lichtjahre entfernte Barnards Stern beherbergt einen Exoplaneten

Einer internationalen Gruppe von Astronomen unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg ist es gelungen, beim nur sechs Lichtjahre...

Im Focus: Mit Gold Krankheiten aufspüren

Röntgenfluoreszenz könnte neue Diagnosemöglichkeiten in der Medizin eröffnen

Ein Präzisions-Röntgenverfahren soll Krebs früher erkennen sowie die Entwicklung und Kontrolle von Medikamenten verbessern können. Wie ein Forschungsteam unter...

Im Focus: Ein Chip mit echten Blutgefäßen

An der TU Wien wurden Bio-Chips entwickelt, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Die Stoffzufuhr lässt sich dabei sehr präzise dosieren.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heute keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe herzustellen, durchzogen von feinen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Kalikokrebse: Erste Fachtagung zu hochinvasiver Tierart

16.11.2018 | Veranstaltungen

Können Roboter im Alter Spaß machen?

14.11.2018 | Veranstaltungen

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungen

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

Klima- und Höhensimulationsprüfstand für Motoren an der Hochschule Karlsruhe in Betrieb genommen

16.11.2018 | Maschinenbau

Rasende Elektronen unter Kontrolle

16.11.2018 | Physik Astronomie

Übergangsmetallkomplexe: Gemischt geht's besser

16.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

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