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Prof. Dr. Ralf Schützhold

Direktor Theoretische Physik
r.schuetzholdAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 3618

Jana Oswald

Sekretariat
Theoretische Physik
j.oswaldAthzdr.de
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Forschung

Pressemitteilungen


Starke Felder

Kurzfassung:

Wir betrachten die Deuterium-Tritium-Fusion als generisches Beispiel für Fusionsreaktionen. Für anfängliche kinetische Energien im keV-Regime wird die Reaktionsrate aufgrund der Coulomb-Barriere zwischen den Kernen, die durch Tunneln überwunden wird, exponentiell unterdrückt. Hier untersuchen wir, ob die Tunnelwahrscheinlichkeit durch ein zusätzliches elektromagnetisches Feld, beispielsweise durch einen freien Elektronenlaser im Röntgenbereich (XFEL), erhöht werden kann. Wir stellen fest, dass die für diesen dynamischen Assistenzmechanismus erforderlichen XFEL-Frequenzen und -Feldstärken innerhalb der Reichweite der heutigen oder in naher Zukunft befindlichen Technologie liegen sollten.


Kurzfassung:

instanton ©Copyright: Dr. Queißer, Friedemann

Dynamisch assistierter Schwingereffekt.

Wir untersuchen die Bildung von Elektron-Positron-Paaren aus dem Dirac-Vakuum, die durch ein starkes und sich langsam änderndes elektrisches Feld induziert wird (Schwinger-Effekt) und welches von einem schwachen und sich schnell ändernden elektromagnetischen Feld überlagert wird (dynamische Paarbildung). In einem unterkritischen Regime, in dem beide Mechanismen stark unterdrückt werden, führt eine Kombination der Mechanismen zu einer dramatisch gesteigerten Paarbildungsrate. Intuitiv gesprochen senkt das starke elektrische Feld die Schwelle für die dynamische Teilchenerzeugung - oder alternativ erzeugt das schnelle elektromagnetische Feld zusätzliche Keime für den Schwinger-Mechanismus. Dieser Effekt ist für geplante Ultrahochintensitätslaser relevant.


Kurzfassung:

Instanton2 ©Copyright: Dr. Queißer, Friedemann
Instantone für verschiedene Hintergrundfelder.

Die semiklassische Approximation des Weltlinien-Pfadintegrals ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung der nicht-störungstheoretischen Elektron-Positron-Paarbildung in raumzeitabhängigen Hintergrundfeldern. Das Finden von Lösungen der klassischen Bewegungsgleichungen, d. h. von Weltlinien-Instantonen, ist nur in speziellen Fällen analytisch möglich, und auch eine numerische Behandlung ist nicht trivial. Wir führen einen allgemeinen numerischen Ansatz ein, der auf einer näherungsweisen Auswertung des diskretisierten Pfadintegrals basiert und auf einfache und robuste Weise die volle semiklassische Paarproduktionsrate in nicht-trivialen mehrdimensionalen Feldern liefert.
 


Weitere Referenzen:


Graphen

Kurzfassung:

photoeffect ©Copyright: Dr. Queißer, Friedemann
Primäre Teilchen-Loch-Erzeugung an einer Graphenfalte.

Wir untersuchen den elektronischen Transport in Graphen unter dem Einfluss eines transversalen Magnetfeldes B(r) =B(x)ez mit der Asymptotik B(x→±∞) = ±B0, was beispielsweise in einer Graphenfalte mit konstantem Magnetfeld realisiert werden könnte. Durch Lösen der effektiven Dirac-Gleichung finden wir stabile Moden mit einer endlichen Energielücke, die sich entlang der Falte ausbreiten - wo sich Teilchen und Löcher in entgegengesetzten Richtungen bewegen. Die Anregung dieser Teilchen-Loch-Paare mit einfallenden (optischen oder infraroten) Photonen würde dann - auch bei Raumtemperatur - eine nahezu perfekte Ladungstrennung und damit einen starken magnetophotoelektrischen oder magnetothermoelektrischen Effekt erzeugen.


Kurzfassung:

Graphene_Experiment3 ©Copyright: Dr. Queißer, Friedemann
Skizze des experimentellen Aufbaus.

 

Wir untersuchen das optische Verhalten eines freihängenden Monolagen-Graphen-Feldeffekttransistors in Magnetfeldern von bis zu 9 T (Quanten-Hall-Regime). Mit einer Beleuchtungsstärke von nur 3 μW messen wir einen Photostrom von bis zu 400 nA (ohne angelegte Vorspannung), was einer Photoempfindlichkeit von 0,13 AW−1 entspricht. Wir glauben, dass dies einer der höchsten Werte ist, der jemals in einer Graphen-Monolage gemessen wurde. Wir diskutieren mögliche Mechanismen zur Erzeugung dieser starken Photoreaktion (17 Elektronen-Loch-Paare pro 100 einfallende Photonen). Basierend auf unseren experimentellen Erkenntnissen glauben wir, dass das wahrscheinlichste Szenario ein ballistischer zweistufiger Prozess ist, der die Ladungsträgermultiplikation durch unelastische Auger-artige Coulomb-Streuung an der Graphenkante umfasst.
 


Stark korrelierte Systeme

Kurzfassung:

Teilchen-Loch ©Copyright: Prof. Dr. Schützhold, Ralf
Teilchen- und Loch-Anregungen von spinlosen Fermionen in einer Ladungsdichtewelle.

Motiviert durch das aktuelle Interesse an Nichtgleichgewichtsphänomenen in Quanten-Vielkörpersystemen untersuchen wir stark wechselwirkende Fermionen auf einem Gitter, indem wir die Quanten-Boltzmann-Gleichung ableiten und numerisch lösen, welche die Relaxation zum thermodynamischen Gleichgewicht beschreibt. Die Ableitung erfolgt durch Anwendung der Korrelationshierarchie innerhalb der 1/Z-Entwicklung. Nach Anwendung der Markov-Näherung erhalten wir die dynamischen Gleichungen für die Verteilungsfunktionen. Interessanterweise stellen wir fest, dass im Limes starker Kopplungen Kollisionen zwischen Teilchen und Löchern gegenüber Kollisionen zwischen Teilchen mit Teilchen oder Löchern mit Löchern dominieren - im Gegensatz zu schwach wechselwirkenden Systemen. Infolgedessen zeigen unsere numerischen Simulationen, dass die Relaxationszeitskalen stark von der Art der Anregungen (Teilchen oder Löcher oder beides) abhängen, die anfänglich vorhanden sind.
 


Kurzfassung:

Korrelationen ©Copyright: Prof. Dr. Schützhold, Ralf
Anisotrope Ausbreitung von Korrelationen in 2D für 30x30 Gitterplätze.

 

Wir untersuchen einen Quanten-Quench im Bose-Hubbard-Modell, bei dem die Tunnelrate im Mott-Regime plötzlich von null auf einen endlichen Wert geschaltet wird. Um die Vielteilchen-Quantendynamik im Nichtgleichgewicht zu lösen, betrachten wir die reduzierten Dichtematrizen für eine endliche Anzahl von Gitterplätzen und teilen sie in Korrelationen auf, d.h. in das Hintergrundfeld sowie in Zwei- und Dreipunktkorrelationen usw. Unter Berücksichtigung von Dreipunkt- und höheren Korrelationen können wir die zeitliche Entwicklung der insitu-Dichtematrizen und der Zweipunkt-Quantenkorrelationen (z. B. ihre effektive Lichtkegelstruktur) für eine vergleichsweise große Anzahl von etwa 1000 Gitterplätzen numerisch simulieren.


Kurzfassung:

Korrelation_Doubletime ©Copyright: Dr. Queißer, Friedemann
Dynamik von Zwei-zeiten-Korrelationsfunktionen im Bose-Hubbard-Modell bei verschiedenen Temperaturen.

Die Korrelationshierarchie ist eine analytische Approximationsmethode, mit der wir Nichtgleichgewichtsphänomene in stark wechselwirkenden Vielteilchensystemen auf Gittern in höheren Dimensionen untersuchen können (wobei die zugrunde liegende Idee der dynamischen Meanfield-Theorie etwas ähnelt). Bisher war diese Methode auf zeitgleiche Korrelatoren wie 〈Aμ(t)Bν(t)〉 beschränkt. Mit der Methode der vollständigen Induktion verallgemeinern wir diese Hierarchie auf Zwei-zeiten-Korrelatoren der Form 〈Aμ(t)Bν(t')〉, was es uns ermöglicht, effektive Lichtkegel und Greensche Funktionen zu untersuchen sowie endliche Anfangstemperaturen zu berücksichtigen. Als Anwendung untersuchen wir die Nichtgleichgewichtsdynamik nach Quanten-Quenches des Bose-Hubbard-Modells in der Mott-Isolatorphase.


Kurzfassung:

pretherm ©Copyright: Dr. Queißer, Friedemann
Prethermalisierung von Quantenkorrelationen im Bose-Hubbard-Modell nach einem Quanten-Quench.

 

Wir untersuchen die Bose-Hubbard- und Fermi-Hubbard-Modelle im (formalen) Limes großer Koordinationszahlen Z≫1. Durch eine Entwicklung in Potenzen von 1/Z erstellen wir eine Hierarchie von Korrelationen, die eine näherungsweise analytische Ableitung der zeitlichen Entwicklung der Matrizen mit reduzierter Dichte für eine und zwei Stellen usw. ermöglicht. Mit dieser Methode untersuchen wir die Quantendynamik (ausgehend vom Grundzustand) nach einem Quanten-Quench, d.h. nach einem plötzlichen Anschalten der Tunnelrate J von Null auf einen endlichen Wert, der sich noch im Mott-Regime befindet. Wir stellen fest, dass sich die Matrizen mit reduzierter Dichte nach einiger Zeit einem (quasi-) Gleichgewichtszustand nähern. Für einen Gitterplatz kann dieser Zustand durch einen thermischen Zustand (innerhalb der Genauigkeit unserer Näherung) beschrieben werden. Der (Quasi-) Gleichgewichtszustand der Matrizen mit reduzierter Dichte für zwei Stellen einschließlich der Korrelationen kann jedoch nicht durch einen thermischen Zustand beschrieben werden. Daher sollte eine echte Thermalisierung (falls sie auftritt) viel länger dauern. Dieses Verhalten wurde bereits in anderen Szenarien beobachtet und wird manchmal als „Prethermalisierung“ bezeichnet. Schließlich vergleichen wir unsere Ergebnisse mit numerischen Simulationen für endliche Gitter in einer und zwei Dimensionen und finden qualitative Übereinstimmung.


Weitere Referenzen:


Quanteninformation und Quantentechnologie

Kurzfassung:

entphot ©Copyright: Dr. Queißer, Friedemann

Skizze der Makrostruktur des vorgeschlagenen Aufbaus.

 

Wir schlagen ein Schema für die Verschränkung zweier Photonen über den Quanten-Zeno-Effekt vor, der die Unterdrückung  der Quantendynamik durch häufige Messungen beschreibt und auf dem Unterschied zwischen Summierungs von Amplituden und Wahrscheinlichkeiten basiert. Für eine gegebene Fehlerwahrscheinlichkeit Perror erfordert unser Schema, dass die Einphotonen-Verlustrate ξ und die Zweiphotonen-Absorptionsrate ξ in einem Medium ξ / ξ = 2 (Perror/π)2 erfüllen, was im Vergleich zu früheren Ansätzen eine signifikante Verbesserung darstellt. Wiederum basierend auf dem Quanten-Zeno-Effekt sowie kohärenten Anregungen bieten wir eine Möglichkeit, diese Anforderung in einem ansonsten linearen Optik-Aufbau zu erfüllen.


Kurzfassung:

Quantum Information - Pic2 ©Copyright: Dr. Queißer, Friedemann
Eingangszustände mit verschiedenen Rauschpegeln für einen probabilistischen Quantenalgorithmus, der entscheidet, ob ein monochromes Bild mit einer bestimmten Vorlage übereinstimmt.

Wir schlagen einen probabilistischen Quantenalgorithmus vor, der entscheidet, ob ein monochromes Bild mit einer bestimmten Vorlage (oder einer aus einer Reihe von Vorlagen) übereinstimmt. Als wesentlicher Vorteil gegenüber klassischen Mustererkennung benötigt der Algorithmus nur wenige einfallende Photonen und eignet sich daher für sehr empfindliche Bilder (ähnlich dem Elitzur-Vaidman-Problem). Darüber hinaus sind für ein 2n×2m-Bild bereits O(n+m) Qubits ausreichend. Mit der Quanten-Fourier-Transformation ist es möglich, die Fehlertoleranz des Quantenalgorithmus zu verbessern, indem kleinräumiges Rauschen im Bild herausgefiltert wird. Als Beispiel haben wir Bilder mit 512×512 Pixeln numerisch simuliert um die Anwendbarkeit des Algorithmus zu demonstrieren und seine Fehlertoleranz zu analysieren.
 


Kurzfassung:

Entanglement ©Copyright: Dr. Queißer, Friedemann
Die Verschränkung zwischen zwei, drei und vier benachbarten Spins, gemessen durch die Concurrence, dem Drei-Tangle (grün) und dem Vier-Tangle (blau) als Funktion von J.

Wir untersuchen die Grundzustandsverschränkung im Quanten-Ising-Modell mit der ferromagnetischen Kopplung J der nächsten Nachbarn und finden eine sequentielle Zunahme der Verschränkungstiefe d mit zunehmendem J. Die Verschränkungslawine beginnt mit der Zweipunkt-Verschränkung und setzt sich mit dem Drei-Tangle und Vier-Tangle fort bis es schließlich tief in der ferromagnetischen Phase für J = ∞ zu einer reinen L-Partiten-Verschränkung (GHZ-Typ) aller L-Spins kommt. Der Vergleich mit den Zwei-, Drei- und Vierpunktkorrelationen zeigt eine ähnliche Sequenz und zeigt starke Ähnlichkeit zu den obigen Verschränkungsmaßen für kleines J. Wir finden jedoch auch eine teilweise Umkehrung der Hierarchie, bei der die Vierpunktkorrelation die Dreipunkt- und Zweipunktkorrelationen übersteigt, lange bevor der kritische Punkt erreicht ist. Qualitativ ähnliches Verhalten wird auch für das Bose-Hubbard-Modell gefunden was darauf hindeutet, dass dies ein allgemeines Merkmal eines Quantenphasenübergangs ist. Dies sollte bei den Näherungen um das Meanfield berücksichtigt werden.
 


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Quantensimulatoren

Kurzfassung:

sigma ©Copyright: Dr. Queißer, Friedemann
Skizze des vorgeschlagenen analogen Quantensimulators

Wir schlagen einen Entwurf für den Aufbau eines Laborsystems auf der Grundlage der heutigen Technologie vor, das die Quantendynamik des nichtlinearen O(3) -Sigma-Modells reproduziert und dadurch simuliert. Abgesehen von seiner Relevanz für die Theorie der kondensierten Materie dient diese stark wechselwirkende Quantenfeldtheorie als wichtiges Modellsystem für die Quantenchromodynamik (QCD), da sie viele wichtige Eigenschaften der QCD reproduziert. Das vorgeschlagene Design ist daher eine Machbarkeits- und Proof-of-Principle-Studie für allgemeinere analoge Quantensimulatoren.


Kurzfassung:

analog ©Copyright: Dr. Queißer, Friedemann
Analog des Sauter-Schwinger-Effekts im Bose-Hubbard-Modell in  einem gekippten Gitter.

 

Wir untersuchen die Mott-Phase des Bose-Hubbard-Modells an einem gekippten Gitter. Innerhalb der (Gutzwiller-) Meanfield-Näherung hat die Kippung keine Auswirkung - aber Quantenfluktuationen führen zur Bildung von Teilchen-Loch-Paaren durch Tunneln. Für kleine Potenzialgradienten (langwelliger Limes) leiten wir eine quantitative Analogie zum Sauter-Schwinger-Effekt her, d. h. die Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren aus dem Vakuum durch ein elektrisches Feld. Für große Kippungen erhalten wir resonantes Tunneln ähnlich Bloch-Oszillationen.


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Analogien, Unruh-Effekt und Hawkingstrahlung

Kurzfassung:

laval ©Copyright: Dr. Queißer, Friedemann
Propagation von Schallwellen in einer Lavaldüse.

Über geeignete Analoge in Systemen der kondensieren Materie und anderen Laborsystemen können der Penrose-Prozess (Superradiant Scattering), der Unruh-Effekt, die Hawking-Strahlung, die Eardley-Instabilität, Schwarzlochlaser, die kosmologische Teilchenzeugung, der Gibbons-Hawking-Effekt und der Schwinger-Mechanismus modelliert werden. Abgesehen von einer experimentellen Überprüfung dieser noch nicht beobachteten Phänomene könnte die Untersuchung dieser Laborsysteme Licht auf die zugrunde liegenden Ideen und Probleme werfen und sollte daher auch unter dem Gesichtspunkt der (Quanten-) Gravitation interessant sein.


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