Jahresbericht der Universit

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III Forschung
Source-approach to quantum systems in atomic
and mesoscopic physics
Ein makroskopisches physikalisches System erfordert keine ausschließlich quantenmechanische
Beschreibung. Oft ist eine teils klassische, teils quantenmechanische Behandlung
angebracht. Die Schnittstelle zwischen dem klassischen und quantenmechanischen
Teil des Systems kann vorteilhaft durch Quellen beschrieben werden, welche Quantenteilchen
in Form von Materiewellen aussenden. Beispiele für Quellen sind elektrische
Kontakte, durch welche Elektronen in ein Nanoelement eingekoppelt werden, kalte
Quantengase, oder das Aufbrechen einer chemischen Bindung. Der Zugang zur Berechnung
von Teilchenströmen kombiniert Methoden der theoretischen Atomphysik mit Methoden
der Festkörperphysik. Anwendungsbiete sind die präzise Analyse von Quantenzuständen,
das Wechselspiel von Kohärenz und Dissipation in photosynthetischen Lichtsammelkomplexen
sowie der mesoskopische Transport durch Nanostrukturen.
Sprecher: Dr. Tobias Kramer (Institut für Theoretische Physik)
Laufzeit: 2007 – 2012
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (Emmy Noether Programm)
Fördervolumen: € 1,2 Mio
Homepage: http://www.quantumdynamics.de
Ein Schwerpunkt der Arbeitsgruppe ist die Beschreibung des Ladungstransportes in Nanostrukturen
unter Berücksichtigung von Vielteilchen-Wechselwirkungen. Dazu wurden
neue physikalische Modelle und Rechenmethoden entwickelt. Seit 2008 ist ein dramatischer
Umbruch in der Computertechnologie bemerkbar. Eine Grafikkarte übertrifft mittlerweile
die Rechenleistung des konventionellen Prozessors um ein hundertfaches. Algorithmen
wurden entwickelt, die es erlauben innerhalb von zwei Tagen den Transport durch ein
Halbleitersystem mit 10 000 Coulomb wechselwirkenden Elektronen detailliert zu berechnen,
wofür der traditionelle CPU-Zugang Jahre an Rechenzeit benötigt. Das mikroskopische
Modell ermöglicht erstmals einen Berechnung der Spannungsverteilung im Halleffekt
und eine Analyse der Randbedingungen und der Wechselwirkungen für das Zustandekommen
des Halleffekts. Ein weiteres Forschungsfeld der Arbeitsgruppe ist der Energietransports
in photosynthetischen Molekülkomplexen. Hierzu gibt es neue experimentelle
Ergebnisse, die auf die Bedeutung quantenmechanischer Kohärenz bei Raumtemperatur
schließen lassen. Dies ist auch für die Entwicklung von künstlichen Solarzellen interessant.
Eine numerische Methode wurde entwickelt, um die Stationen des Energietransports
in dem Bindeglied zwischen der Antenne des Komplexes und dem Reaktionszentrum zu
verfolgen. Auch hier konnten mittels der Programmierung von Grafikkarten Rechnungen
erstmals durchgeführt und mit experimentellen Ergebnissen vergleichen werden.