Forschung

Pressemitteilungen

• 17.08.2023: Materie aus dem Nichts
• 06.01.2022: Kernfusion durch künstliche Blitze
• 05.12.2019: Mit starken Lasern zur Fusion
• 12.12.2018: Mini-Detektoren für Gigantisches?
• 22.10.2018: Den Urknall im Labor nachahmen
• 18.05.2018: Theoretische Physik: Neue Gruppe am HZDR

Starke Felder

• Dynamically assisted tunneling in the Floquet picture (Phys. Rev. Research 6, 023056, 2024)
• Dynamically assisted tunneling in the impulse regime (Phys. Rev. Research 3, 033153, 2021)
• Dynamically assisted nuclear fusion (Phys. Rev. C 100, 041601(R), 2019)

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.

• Sauter-Schwinger Effect for Colliding Laser Pulses (Phys. Rev. Lett. 129, 241801, 2022)
• Dynamically Assisted Schwinger Mechanism (Phys. Rev. Lett. 101, 130404, 2008)

Kurzfassung:

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.

• Discrete worldline instantons (Phys. Rev. D 98, 085009, 2018)

Kurzfassung:

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.

• Observability of Coulomb-assisted quantum vacuum birefringence (Phys. Rev. D 104, L011902, 2021)

Kurzfassung:

Wir betrachten die Streuung eines Freie-Elektronen-Laserstrahls an einem externen Magnetfeld Bext mithilfe des Coulombfeldes Eext eines Kernes mit Ladung Z. Im Unterschied zur Delbrück-Streuung (reines Coulombfeld) zeigt sich das Magnetfeld verantwortlich für eine Asymmetrie (Polarisationsabhängigkeit) sowie einer Vergrößerung des effektiven Streuvolumens. In diesem Fall erzeugt das nukleare Coulombfeld einen signifikanten Impulsübertrag Delta k. Für Feldstärken von Bext = 10^6 T (entspricht einer Intensität von ca. 10^22 W/cm^2) und einer XFEL Frequenz von 24 keV, erhalten wir einen differenziellen Streuquerschnitt von ~10^-25 Z^2/Delta k^2 in Vorwärtsrichtung für einen Kern. Conclusio, dieser Effekt könnte in naher Zukunft an Einrichtungen wie der 'Helmholtz International Beamline for Extreme Fields at the European XFEL' beobachtet werden.

Weitere Referenzen:

• Pair production in circularly polarized waves (Phys. Rev. D 110, L111903, 2024)
• Identifying time scales in particle production from fields (Phys. Lett. B 844, 138063, 2023)
• Pair production in temporally and spatially oscillating fields (Phys. Rev. D 101, 096009, 2020)
• Dynamically assisted Sauter-Schwinger effect in inhomogeneous electric fields (J. High Energ. Phys. (2016) 2016: 164)
• Prefactor in the dynamically assisted Sauter-Schwinger effect (Phys. Rev. D 94, 085015, 2016)
• Doubly assisted Sauter-Schwinger effect (Phys. Rev. D 94, 065035, 2016)
• Pulse shape dependence in the dynamically assisted Sauter-Schwinger effect (Phys. Rev. D 92, 085009, 2015)
• Catalysis of Schwinger vacuum pair production (Phys. Rev. D 80, 111301(R), 2009)

Graphen

• Strong Magnetophotoelectric Effect in Folded Graphene (Phys. Rev. Lett. 111, 046601, 2013)

Kurzfassung:

Wir untersuchen den elektronischen Transport in Graphen unter dem Einfluss eines transversalen Magnetfeldes B(r) =B(x)e_z 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.

• Giant magneto-photoelectric effect in suspended graphene (New J. Phys. 19, 063028, 2017)

Kurzfassung:

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

• Boltzmann relaxation dynamics of strongly interacting spinless fermions on a lattice (Phys. Rev. B 100, 245110, 2019)

Kurzfassung:

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.
 

• Propagation of quantum correlations after a quench in the Mott-insulator regime of the Bose-Hubbard model (EPJ Quantum Technol. 1, 12 (2014))

Kurzfassung:

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.

• Hierarchy of double-time correlations (J. Stat. Mech. 053101, 2023)

Kurzfassung:

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.

• Equilibration and prethermalization in the Bose-Hubbard and Fermi-Hubbard models (Phys. Rev. A 89, 033616, 2014)

Kurzfassung:

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:

• Back-reaction and correlation effects on prethermalization in Mott-Hubbard systems (Phys. Rev. B 109, 195140, 2024)
• Boltzmann relaxation dynamics in the strongly interacting Fermi-Hubbard model (Phys. Rev. A 100, 053617, 2019)
• Environment-induced prerelaxation in the Mott-Hubbard model (Phys. Rev. B 99, 155110, 2019)
• Quasi-particle approach for lattice Hamiltonians with large coordination numbers (Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, Volume 47, Number 22, 2014)
• Emergence of coherence in the Mott-insulator–superfluid quench of the Bose-Hubbard model (Phys. Rev. A 82, 063603, 2010)

Quanteninformation und Quantentechnologie

• Entangling photons via the double quantum Zeno effect (Phys. Rev. A 84, 022317, 2011)

Kurzfassung:

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 P_error erfordert unser Schema, dass die Einphotonen-Verlustrate ξ_1γ und die Zweiphotonen-Absorptionsrate ξ_2γ in einem Medium ξ_1γ / ξ_2γ = 2 (P_error/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.

• Quantum algorithm for optical-template recognition with noise filtering (Phys. Rev. A 74, 012303, 2006)

Kurzfassung:

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×2^m-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.
 

• Avalanche of entanglement and correlations at quantum phase transitions (Scientific Reports volume 7, Article number: 3634 (2017))

Kurzfassung:

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.
 

Weitere Referenzen:

• Distance Dependence of Entanglement Generation via a Bosonic Heat Bath (Phys. Rev. Lett. 102, 160501, 2009)
• Non-Markovian decoherence in the adiabatic quantum search algorithm (Phys. Rev. A 75, 062313, 2007)
• General error estimate for adiabatic quantum computing (Phys. Rev. A 73, 062307, 2006)
• Adiabatic quantum algorithms as quantum phase transitions: First versus second order (Phys. Rev. A 74, 060304(R), 2006)

Quantensimulatoren

• Quantum simulator for the O(3) nonlinear sigma model

Kurzfassung:

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.

• Sauter-Schwinger-like tunneling in tilted Bose-Hubbard lattices in the Mott phase (Phys. Rev. A 85, 033625, 2012)

Kurzfassung:

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.

Weitere Referenzen:

• Quantum simulator for the Schwinger effect with atoms in bichromatic optical lattices (Phys. Rev. A 84, 050101(R), 2011)
• Quantum simulation of cosmic inflation in two-component Bose-Einstein condensates (Phys. Rev. A 70, 063615, 2004)

Analogien, Unruh-Effekt und Hawkingstrahlung

• Recreating Fundamental Effects in the Laboratory?

Kurzfassung:

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.

Weitere Referenzen:

• On slow light as a black hole analogue (Phys. Rev. D 68, 024008, 2003)
• Universality of the Hawking effect (Phys. Rev. D 71, 024028, 2005)
• Hawking Radiation in an Electromagnetic Waveguide? (Phys. Rev. Lett. 95, 031301, 2005)
• Analogue of Cosmological Particle Creation in an Ion Trap (Phys. Rev. Lett. 99, 201301, 2007)