Menschen und Quantenteilchen haben gemeinsam, dass sie sich in einer Gruppe oft anders verhalten, als wenn sie allein sind. Bekanntestes physikalisches Beispiel für derartige Vielteilcheneffekte ist sicherlich die Supraleitung, wobei sich unter bestimmten Bedingungen Elektronen zu sogenannten Cooper-Paaren zusammenschließen, die sich ohne jeden Reibungsverlust durch ein supraleitendes Material bewegen und somit einen widerstandsfreien Stromtransport ermöglichen. Aber auch beim Auftreten magnetischer Wirbelstrukturen spielen Vielteilcheneffekte eine entscheidende Rolle.
Um diese "Massenpsychologie" von Quantenteilchen zu studieren, arbeiten Festkörperphysiker, Quantenoptiker und Materialwissenschaftler aus Frankfurt, Mainz und Kaiserslautern zusammen. Unter Federführung der Goethe-Universität Frankfurt haben sie bereits im Jahr 2007 den Sonderforschungsbereich/Transregio "Systeme kondensierter Materie mit variablen Vielteilchenwechselwirkungen" aufgesetzt. Und die erfolgreiche Zusammenarbeit wurde jetzt abermals honoriert: Mittlerweile hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) nach sehr positiver Evaluation der bisherigen Forschungsarbeiten beschlossen, den Forschungsverbund für weitere vier Jahre bis 2019 mit rund acht Millionen Euro zu fördern.
"In einem Forschungsverbund wie unserem SFB/Transregio ist die Kooperation aller Beteiligten extrem wichtig, weil auf diese Weise wissenschaftliche Mehrwerte geschaffen werden, die über die Ergebnisse einzelner, voneinander unabhängiger Projekte deutlich hinausgehen", betont Michael Lang, Professor am Physikalischen Institut der Goethe-Universität Frankfurt und Sprecher des SFB/TRR 49. "Die Kooperation beginnt, wenn wir miteinander diskutieren und dann die konkreten Fragestellungen ausformulieren." Daran schließt sich die Arbeitsaufteilung an, weil – abhängig von den Möglichkeiten der experimentell und theoretisch arbeitenden Gruppen – manche Aspekte besser in Frankfurt, andere eher in Mainz und wieder andere in Kaiserslautern bearbeitet werden können. Immer wieder treffen sich dann die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, stellen einander ihre Ergebnisse vor, vergleichen sie mit Modellrechnungen, entwerfen neue Experimente. Und werden am Ende durch gemeinsame Publikationen belohnt. "Wir haben schon Paper veröffentlicht, zu denen fünf verschiedene Teilprojekte des SFB beigetragen haben", erinnert sich Lang nicht ohne Stolz.
Dabei galt und gilt das Interesse der Wissenschaftler zunächst einmal ausgewählten Modellsystemen: ultrakalten Atomgasen im Feld sich kreuzender Laserstrahlen sowie dünnen magnetischen Filmen, in denen durch Licht magnetische Anregungen erzeugt werden. "Hieran wollten wir die Grundprinzipien verstehen", erläutert Lang. "Die Konzepte, die wir hier entwickelt haben, möchten wir jetzt auch auf komplexere Systeme anwenden." In den ersten beiden Förderperioden des Projekts (2007-2011, 2011-2015) widmeten sich die Forscher daher Fragen wie etwa: Wie lassen sich Vielteilchensysteme im Experiment erzeugen und in der Theorie simulieren? Was sind die relevanten Prozesse, die zur Bildung von Cooper-Paaren aus Elektronen führen? Und wie entsteht aus magnetischen Elementaranregungen ein magnetischer Wirbel?
Auf diese grundlegenden Erkenntnisse bauen die Wissenschaftler jetzt auf, wenn sie sich zum Beispiel fragen, wie sich Verunreinigungen des Materials auswirken, in dem sie die Vielteilchensysteme beobachten wollen. "Oder nehmen Sie die regelmäßige Struktur, in der die Atome dieses Materials angeordnet sind: Am absoluten Temperaturnullpunkt wäre so eine Gitterstruktur völlig starr. Nun finden unsere Versuche zwar bei ziemlich tiefen Temperaturen statt, aber eben nicht am absoluten Nullpunkt, und je weiter entfernt wir davon sind, also je höher die Versuchstemperatur, desto stärker wackeln die Atome auf ihren Gitterplätzen hin und her. Wir möchten jetzt klären, wie sich das Wackeln auf die Vielteilchensysteme auswirkt", beschreibt Lang die Fragen, die in der kürzlich bewilligten dritten Förderperiode des SFB/TRR beantwortet werden sollen.
Daran arbeiten natürlich nicht nur Lang und die anderen 20 leitenden Forscherinnen und Forscher, sondern auch die rund 25 Promovierenden und neun Postdoktoranden, die an den Universitäten Frankfurt, Mainz und Kaiserslautern sowie am Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung betreut werden. Dabei kommt der Doktorandenausbildung im SFB/TRR 49 durch das integrierte Graduiertenkolleg ein besonderer Stellenwert zu. Aber in einem wichtigen Punkt unterscheidet sie sich auch von der üblichen Graduiertenausbildung: Die Kollegiatinnen und Kollegiaten organisieren selbstständig Seminare und Workshops, legen deren Inhalte fest, laden Vortragende ein – gestalten das Graduiertenkolleg des SFB/TRR also aktiv mit. "Sie legen ihre Konsumentenrolle ein Stück weit ab und übernehmen Verantwortung. Außerdem lernen sie so aus eigener Erfahrung, wie der Wissenschaftsbetrieb organisiert ist, und sie vernetzen sich darin", berichtet Lang. "Die Kooperation der Graduierten untereinander und die Kooperation innerhalb des gesamten SFB ergänzen sich sehr gut und der wissenschaftliche Nachwuchs profitiert davon ganz enorm – sowohl inhaltlich als auch mit Blick auf die eigene Karriere."
Im SFB/TRR 49 geht es vorwiegend um Grundlagenforschung, so etwa bei der Arbeit von Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. In seiner Forschung simuliert der Professor für Quantenoptik gewissermaßen die Eigenschaften eines realen Festkörpers. Er untersucht künstliche Festkörperkristalle, die aus einigen hundert Ytterbium-Ionen und Rubidium Atomen bestehen und in einer neuartigen Kombination aus Ionen- und Atomfalle gehalten und zur Wechselwirkung gebracht werden. Diese Experimente sollen zu einem besseren Verständnis für das Verhalten eines realen Festkörpers beitragen, der aus einer sehr viel größeren Anzahl von Atomen und Elektronen besteht. "Dabei ist die Zusammenarbeit zwischen uns als experimentell arbeitender Gruppe und den Festkörpertheoretikern aus Frankfurt natürlich extrem wichtig. Die beiden Disziplinen bringen sich gegenseitig weiter", sagt Schmidt-Kaler. "Es ist ungeheuer bereichernd, mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus anderen Disziplinen zusammenzuarbeiten. Gerade die Festkörperphysiker sehen unser Thema aus einem völlig anderen Blickwinkel. Sie schauen sich die Festkörper mit ihren ungeheuer vielen Teilchen an, ich gehe vom einzelnen Atom aus." Gemeinsam ist allen, dass sie wissen wollen, was auf der atomaren Ebene passiert, wie die Teilchen interagieren und neue Zustände der Materie formen.
"Sie kennen vielleicht die Geschichte von dem Kalifen und den Reiskörnern?", fragt Schmidt-Kaler. Einst schenkte ein Untertan seinem Herrscher ein kostbares Schachbrett. Der war begeistert und gewährte seinem Höfling einen Wunsch. Der Wunsch des Höflings klang bescheiden. Der Kalif möge das Schachbrett mit Reis auffüllen: Ein Korn sollte aufs erste Feld kommen, dann auf jedes weitere Feld jeweils die doppelte Anzahl Körner: 1, 2, 4, 8, 16 … "Die Reisproduktion der Welt reicht nicht aus, um so einen Wunsch zu erfüllen", sagt Schmidt-Kaler, "und wir sind in einer ähnlichen Situation: So unüberschaubar wie diese Menge Reis wird ganz schnell auch unser System wechselwirkender Teilchen." Um die Wechselwirkungen in Festkörpern zu untersuchen, fangen die Forscher beim einzelnen Ion an. Jedes stellt eine winzige Magnetnadel dar. "Von da aus wird Stück für Stück hochgebaut. Wir beobachten die Wechselwirkung von zwei Teilchen, dann nehmen wir ein drittes hinzu. So bekommen wir schnell immer mehr Möglichkeiten, das wächst exponentiell. So wie bei der Geschichte von den Reiskörnern: Bei 30 Ionen gibt es schon keinen Computer mehr, der das ausrechnen kann. Das kollektive Phänomen in einem Festkörper ist unglaublich reich an Möglichkeiten. Wir arbeiten an der Grenze. Und schieben sie voran, soweit es irgendwie möglich ist."
Auch in der dritten Förderperiode möchten die Beteiligten des SFB/TRR grundlegende Konzepte entwickeln und ausbauen, um so zu einem besseren Verständnis von Vielteilchensystemen zu kommen. Das schließt Beiträge zu anwendungsbezogenen Themen nicht aus. So wurde hier das Konzept des sogenannten "magnetischen Kühlens" weiterentwickelt, das darauf beruht, dass sich manche magnetischen Materialien abkühlen lassen, wenn ein Magnetfeld verändert wird. Magnetisch gekühlte Röntgendetektoren sind für die Weltraumforschung von großer Bedeutung und möglicherweise wird das magnetische Kühlen eines Tages sogar beim Betrieb eines Haushaltskühlschranks eine umweltfreundliche Alternative zur herkömmlichen Technik.
Ein weiteres Beispiel ist das Phänomen, dass manche Materialien unter geeigneten Bedingungen sowohl ferromagnetisch als auch ferroelektrisch sind. "Insbesondere dann, wenn beide Effekte wie bei unseren Materialien bei der gleichen Temperatur auftreten, ist das ein ganz starkes Indiz dafür, dass die beiden Eigenschaften unmittelbar zusammenhängen", erläutert Prof. Dr. Michael Lang. Dieser Effekt kann gezielt in der Datenspeichertechnik eingesetzt werden, um hier neue Perspektiven zu eröffnen.
Im Sonderforschungsbereich/Transregio 49 kommen Forscherinnen und Forscher zusammen, die ganz unterschiedlich denken. "Wir mussten erst einmal eine gemeinsame Sprache finden“, erzählt Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler. "Aber die mittlerweile seit vielen Jahren hervorragend funktionierende Zusammenarbeit im Verbund, das Hand-in-Hand-Gehen von Theorien und Modellen, ist extrem stimulierend. Dabei kommt es oft zu Überraschungen. Wir betreten schließlich ständig Neuland. Das ist echte Grundlagenforschung."
