Quantenphasen übergänge und kollektive Modi

Phasenübergänge sind eines der faszinierendsten Phänomene der Natur. Alltägliche Beispiele wie das Schmelzen, Gefrieren oder von Wasser sind nur die Spitze eines Eisbergs. Viele Materialien entwickeln beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur ganz neue Eigenschaften, beispielsweise werden sie magnetisch oder supraleitend. Das grundlegende Prinzip der Phasenübergänge ist, dass die zufällige und unabhängige Bewegung von Atomen oder Elektronen über weite Distanzen korreliert wird aus einer chaotischen Menge wird ein gut orchestriertes Ballett mit vielen Tänzern. Diesen Übergang mathematisch zu erfassen stellt eine enorme Herausforderung dar. In der klassischen Physik des 19. Jahrhunderts friert jede Bewegung nahe dem absoluten Temperatur-Nullpunkt ein. In der von der Quantenphysik beschriebenen realen Welt jedoch überleben die zufälligen Bewegungen, sogenannte Quantenfluktuationen, sogar beim absoluten Nullpunkt. Dadurch treten auch bei den niedrigsten Temperaturen Phasenübergänge durch Druckänderungen oder das Anlegen von Magnetfeldern auf. Diese sogenannten Quantenphasenübergänge sind das zentrale Thema des vorliegenden Projekts. Das Projekt umfasst einen theoretischen und einen experimentellen Teil. Für ersteren werden wir fortgeschrittene theoretische Methoden anwenden und weiterentwickeln, die Supercomputer mit Tausenden von Prozessoren nutzen, um die facettenreichen Aspekte von Quantenphasenübergängen zu untersuchen. Auf diese Weise können wir Veränderungen physikalischer Eigenschaften von Materialien wie der magnetischen Suszeptibilität oder der elektrischen Leitfähigkeit vorhersagen. Wir werden spezifische Materialien sowie vereinfachte Modelle untersuchen, die zwar kein spezifisches Material darstellen, aber ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse ermöglichen könnten. Im experimentellen Teil des Projekts werden für diese Physik besonders relevante Materialien synthetisiert und ihre physikalischen Eigenschaften in weiten Bereichen bis hin zu Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gemessen. Ein detaillierter Vergleich zwischen Theorie und Experiment wird unser Verständnis von Quantenphasenübergängen vertiefen. Das Projekt wird von drei Theoretikern und einer Experimentatorin der TU Wien gemeinsam mit ihren Doktorierenden und Studierenden durchgeführt. Das Projekt ist Teil des QUAST- Konsortiums, das sieben Forschungsgruppen aus Österreich, Deutschland und der Schweiz vereint, die an der Entwicklung unterschiedlicher theoretischer Methoden beteiligt sind. Drei Gruppen von Experimentatoren/innen sorgen für den direkten Bezug zur Welt der realen Materialien. Das ultimative Ziel dieses Projekts und des gesamten QUAST-Konsortiums ist es, unser Verständnis von Quantenmaterialien mit starken elektronischen Korrelationen zu verbessern, um ihre Eigenschaften letztendlich für quantentechnologische Anwendungen nutzen zu können. Eigenschaften letztendlich für quantentechnologische Anwendungen nutzen zu können.