Am Puls der Quantenforschung

Eine bahnbrechende Vision des Physikers und Nobelpreisträgers Eugene Wigner aus dem 20. Jahrhundert war, dass die Verteilung der Lücken zwischen den Energieniveaus komplexer Quantensysteme nur von der grundlegenden Symmetrie des Modells abhängt. Professor László Erdős und seine Gruppe „Die Mathematik ungeordneter Quantensysteme und Matrizen“ versuchen, Wigners Vision mit mathematischer Genauigkeit zu verifizieren.

Professor Mikhail Lemeshko untersucht mit seiner Gruppe „Theoretische atomare, molekulare und optische Physik“, wie Vielteilchen-Quantenphänomene in Ensembles von Atomen und Molekülen entstehen. Diese theoretischen Arbeiten zielen darauf ab, Experimente mit kalten Molekülen und ultrakalten Quantengasen zu erklären und neuartige, bisher nicht beobachtete Phänomene vorherzusagen.

Mit seiner Gruppe „Mathematische Physik“ entwickelt Professor Robert Seiringer neue mathematische Werkzeuge für die rigorose Analyse von Vielteilchensystemen in der Quantenmechanik, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf exotischen Phänomenen in Quantengasen wie der Bose-Einstein-Kondensation und der Superfluidität liegt.

Die Gruppe von Professor Maksym Serbyn, „Quantendynamik und Theorie der kondensierten Materie“, untersucht verschiedene offene Fragen zu Nicht-Gleichgewichtszuständen. In einer kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Arbeit hat die Serbyn Gruppe die Theorie der Quantennarben weiterentwickelt und gezeigt, dass dieses bizarre Quantenphänomen häufiger auftritt als erwartet. Ihre Ergebnisse könnten in Zukunft Anwendungen in der Quanteninformatik finden.

Ultraschnelle Licht-Materie-Wechselwirkungen wurden bisher vorwiegend aus einer „semiklassischen Perspektive“ betrachtet. Das bedeutet, dass die Materie quantenmechanisch betrachtet wird, während das elektromagnetische Feld klassisch beschrieben wird. Die Assistenzprofessorin Denitsa Baykusheva versucht mit ihrer Gruppe „Ultraschnelle Quantenspektroskopie“, diese Lücke zu schließen und die ultraschnelle Spektroskopie vollständig in den Bereich der Quantenphysik zu integrieren.

Mit seiner Gruppe „Quantensensorik mit Atomen und Licht“ möchte Assistenzprofessor Onur Hosten innovative Techniken entwickeln, um die Quanteneigenschaften atomarer, optischer und mechanischer Systeme zu kontrollieren. Langfristiges Ziel der Gruppe ist es, anspruchsvolle experimentelle Fragen zu erforschen, wie beispielsweise die Natur der dunklen Materie und die Wechselwirkung zwischen Quantenmechanik und Gravitation.

Assistenzprofessor Julian Léonard versucht mit seiner Gruppe „Quantenoptik“, kleine Teilchen und die Kräfte, die ihr Verhalten bestimmen, zu erforschen, indem er quantenoptische Systeme aus individuell gesteuerten Atomen und Photonen untersuchen. Dieser Ansatz könnte dazu beitragen, Materialien zu verbessern und Anwendungen für Quantencomputer und in der Quanteninformationsverarbeitung zu entwickeln.

Die Gruppe von Assistenzprofessor Zhanybek Alpichshev, „Kondensierte Materie und ultraschnelle Optik“, nutzt ultraschnelle optische Methoden, um die physikalischen Mechanismen zu verstehen, die einigen der äußerst komplexen Phänomene in der Vielteilchenphysik zugrunde liegen. Dazu gehört beispielsweise das Verhalten einer großen Anzahl stark korrelierter Teilchen.

Moderne Quantenmaterialien wie unkonventionelle Supraleiter, Quanten-Spin-Flüssigkeiten und topologische Halbmetalle weisen eine Vielzahl emergenter Materialzustände auf. Mit ihrer Gruppe „Thermodynamik von Quantenmaterialien im Mikromaßstab“ kombiniert Assistenzprofessorin Kimberly Modic maßgeschneiderte thermodynamische Untersuchungen mit modernster Probenaufbereitung, um die gebrochenen Symmetrien und topologischen Strukturen dieser Zustände zu bestimmen.

Die Gruppe von Assistenzprofessor Hryhoriy Polshyn, „Elektronische Phänomene in 2D-Materialien“, erforscht experimentell neuartige elektronische Zustände und untersucht deren grundlegende Eigenschaften. Diese Forschung zielt darauf ab, exotische elektronische Zustände besser zu verstehen und die physikalischen Grundlagen für konzeptionell neue elektronische Bauelemente und Qubits zu schaffen.

Mit ihrer Gruppe „Symmetry Probes of Quantum Matter“ wird die neue Assistenzprofessorin Veronika Sunko, die im September 2025 zum ISTA kommt, die Ursachen und Folgen von Symmetriebrüchen in Quantenmaterialien und deren Zusammenhang mit der Topologie untersuchen. Ihr Ziel ist es, experimentelle Methoden zu entwickeln, die empfindlich auf gebrochene Symmetrien reagieren, und diese zu nutzen, um neuartige Phänomene zu entdecken, zu charakterisieren und zu manipulieren.

Die Gruppe von Professor Johannes Fink, „Integrierte Quantensysteme“, untersucht die Quantenphysik in elektrischen, mechanischen und optischen Chip-basierten Bauelementen, um die Quantentechnologie für Simulation, Kommunikation, Messtechnik und Sensorik voranzutreiben. In einer kürzlich in Nature Physics veröffentlichten Arbeit gelang es der Fink Gruppe, ein vollständig optisches Auslesen von supraleitenden Qubits zu realisieren und damit die Technologie über ihre derzeitigen Grenzen hinaus zu entwickeln. Diese Arbeit legt den Grundstein für den Aufbau eines Netzwerks aus supraleitenden Quantencomputern, die bei Raumtemperatur über gewöhnliche Glasfaserkabel miteinander verbunden sind.

Professor Georgios Katsaros untersucht mit seiner Gruppe „Nanoelektronik“ Halbleiter-Nanogeräte und erforscht Quanteneffekte, wenn diese Geräte auf -273,14 °C gekühlt werden. Das Ziel: Spin-Qubits in Germanium zu erzeugen und zu verstehen, ob Confined Qubits in hybriden Halbleiter-Supraleiter-Systemen realisiert werden können. Darüber hinaus untersucht die Gruppe neue grundlegende physikalische Phänomene, die in Halbleiter-Nanogeräten auftreten. In einer kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Arbeit nutzte die Katsaros Gruppe die Reaktion von Loch-Spin-Qubits auf magnetische und elektrische Felder und beantwortete damit grundlegende Fragen zur Physik, die zur Weiterentwicklung von Quantenprozessoren beitragen könnten.