Daten der Natur, Natur der Daten

Der Weg der zwei Wege

21. September 2020 Emergentes Verhalten in der Quantenwelt

Deutlich grundlagenorientierter ausgerichtet als die zweite Phase von „VGI: Interpretation, Visualisierung und Social Computing“ ist das Graduiertenkolleg „Quantenmechanische
Vielteilchenmethoden in der kondensiertenMaterie“, das 2019 seine zweite Förderperiode begonnen hat. „Wir beschäftigen uns aus rein theoretischer Perspektive mit Festkörperphysik“, erklärt dessen Sprecher Volker Meden, Theoretischer Physiker an der RWTH Aachen. Neben seiner Universität
ist auch das Forschungszentrum Jülich mit im Boot.

Das Graduiertenkolleg „Quantenmechanische Vielteilchenmethoden in der kondensierten Materie“, das 2019 seine zweite Förderperiode begonnen hat, ist grundlagenorientiert ausgerichtet. Hier setzen sich zwölf Doktorandinnen und Doktoranden aus mehreren

Im Graduiertenkolleg versuchen zwölf Doktorandinnen und Doktoranden aus mehreren Nationen, sogenannte Quanten-Vielteilchensysteme mit ihren starken Wechselwirkungen quantitativ möglichst realistisch und präzise zu beschreiben und Korrelationseffekte besser zu begreifen. „Unser Antrieb
ist also nicht, Anwendungen oder Technologien zu produzieren, sondern emergentes Verhalten in der Quantenwelt zu verstehen“, erläutert Meden. Gemeint ist damit, dass ein System, das aus extrem vielen wechselwirkenden Konstituenten besteht, andere Eigenschaften hat als ein einzelnes Atom.

Und das habe in der Vergangenheit immer auch eine technologische Relevanz gehabt: „Es gibt schließlich keinen Magnetismus ohne emergentes Verhalten, denn ein einzelnes Atom hat keine magnetische Ordnung“, sagt Meden. Die Grundlagenforschung im Graduiertenkolleg schafft somit die
Basis für neue funktionale Materialien, die nicht zuletzt ressourcenschonend sind, weil sie eine sehr hohe Leitfähigkeit haben, eine große Speicherkapazität aufweisen oder auf besondere Weise für den Einsatz für Quantencomputer geeignet sind.

Laut Meden unterscheidet sich die Arbeit des Graduiertenkollegs in einem wesentlichen Punkt von der der Elementarteilchenphysik: „Wir kennen
im Grunde die Gleichungen, die wir lösen müssen, sie sind nur unglaublich schwer zu lösen.“ Hinzu kommt, dass analytische beziehungsweise numerische Quanten-Vielteilchenmethoden technisch so anspruchsvoll sind, dass junge Forschende üblicherweise nur eine von beiden im Rahmen ihrer Doktorarbeit anwenden. Die Nachwuchsforscherinnen und -forscher im DFG-Graduiertenkolleg
hingegen nähern sich den komplexen Gleichungen mit Papier, Bleistift und viel Kopfrechenarbeit, aber auch mithilfe von Computern. „Das sind unterschiedliche Zugänge mit unterschiedlichen
Ansätzen, aber wir nutzen beide“, betont Meden. „Der duale Zugang zu einem Problem ist unser Alleinstellungsmerkmal in der Welt der quantenmechanischen Vielteilchentheorie.“

Bereits in der ersten Förderperiode konnte so gezeigt werden, dass die Doktorandinnen und Doktoranden auf diesem Weg der zwei Wege ein deutlich besseres Verständnis ihres Forschungsthemas erreicht haben. Das Erfolgsmodell wird nun in der zweiten Förderperiode fortgesetzt.