Neuer Sonderforschungsbereich an der Schnittstelle von Optik und Festkörper-Physik

Microscopic picture of right-handed helices in the nanometer scale

Helical structures, picture: Vojislav Krstić

Auch in der Quantenwelt ist das Ganze mehr als die Summe seiner Teile. Dieses kollektive Verhalten von Quantensystemen werden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in einem neuen Sonderforschungsbereich/Transregio (SFB/TRR) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) untersuchen. Mit dabei: zahlreiche Arbeitsgruppen des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) in Erlangen. Für das Projekt namens „Quantenkooperativität von Licht und Materie“, kurz QuCoLiMa, stellt die DFG rund 11 Millionen Euro bereit.

Der SFB/TRR 306 beschäftigt sich ab 2021 für vier Jahre auf der Ebene von Quanten mit dem Verhalten von Festkörpern und nutzt dabei optische Methoden. Dazu arbeiten Forscher*innen aus ganz Deutschland zusammen: Die Sprecherrolle übernimmt die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Neben sieben Arbeitsgruppen des MPL sind die Universität Saarbrücken, die Universität Mainz, die Universität Linz, die Universität Jena, die TU Kaiserslautern und das Deutsche Elektronen-Synchrotron (Desy) in Hamburg Teil des Transregios. Das Forschungszentrum Jülich stellt für das Forschungsprojekt seine Quantencomputer-Ressourcen zur Verfügung. Die DFG fördert das Projekt mit insgesamt rund 11 Millionen Euro.

Die Forscher*innen des Projekts möchten verstehen, wie kooperatives Verhalten in der Quantenwelt entsteht und wie es sich kontrollieren lässt. Ihre Erkenntnisse sollen für quantentechnologische Anwendungen wie verbesserte Sensoren, abhörsichere Kommunikation oder Quantencomputer genutzt werden können.

Sonderforschungsbereiche bzw. Transregios sind langfristig angelegte Forschungseinrichtungen, in denen Wissenschaftler*innen einer oder mehrerer Hochschulen im Rahmen eines fächerübergreifenden Forschungsprogramms zusammenarbeiten. Dabei ist die Kooperation mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen wie Max-Planck-Instituten ausdrücklich erwünscht. Sonderforschungsbereiche ermöglichen innovative, anspruchsvolle, aufwendige und langfristig konzipierte Projekte zu organisieren, die in einzelne Teilprojekte aufgeteilt sind.

Wie Licht, Schall und Magnetismus wechselwirken

Das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts ist an sieben der 25 Teilprojekte beteiligt. Diese decken eine große Bandbreite der Forschung ab: So untersuchen Stephan Götzinger und sein Team eine Reihe von kooperativen Effekten, die auftreten, wenn zwei oder drei Moleküle miteinander interagieren.

Die Experimentalphysiker Nicolas Joly und Philip Russell erforschen mit ihrer Gruppe das kooperative Zusammenspiel von Photonen, Phononen und Magnonen in dem künstlichen Mineral Yttrium-Eisen-Granat. Dabei arbeiten sie mit der Theoriegruppe von Silvia Viola-Kusminskiy zusammen, die selbst ein weiteres Teilprojekt leitet: In diesem beschäftigen sich die Wissenschaftler*innen mit korrelierten Zuständen von Licht und Materie und möchten dabei Quantenphänomene in noch unerreichter Genauigkeit entschlüsseln.

Vahid Sandoghdar plant, mit seinem Team neuartige Quantenzustände von Licht und Materie zu realisieren, die durch die Wechselwirkung von Photonen über große Reichweiten vermittelt werden und in der Natur nicht vorkommen. Die Gruppe von Maria Chekhova arbeitet gemeinsam mit Vojislav Krstić, Professor für Angewandte Physik an der FAU, an der Herstellung quantenkooperativer, optisch aktiver Meta-Oberflächen aus winzigen, schraubenförmigen Strukturen der Halbleiter Germanium und Silizium, um spezielles, nichtklassisches Licht zu erzeugen.

Claudiu Genes und seine Gruppe aus der theoretischen Physik erforschen kooperative Aspekte, die durch das elektromagnetische Vakuum vermittelt werden. Florian Marquardt schließlich möchte mit seinem Team Werkzeuge des maschinellen Lernens nutzen, um das neue Gebiet der Quantensynchronisation zu untersuchen.

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