Quantensimulatoren Quantenforscher Eugene Demler erhält Hamburger Preis für Theoretische Physik

Redakteur: Kristin Rinortner

Der russisch-amerikanische Forscher Eugene Demler erhält den Hamburger Preis für Theoretische Physik 2021. Er arbeitet an einem besseren Verständnis stark korrelierter Quantensysteme, von Elektronen in Festkörpern bis hin zu verdünnten atomaren Gasen und Photonen.

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Eugene Demler: Der Quantenphysiker erhält für seine Forschungen zu Quantensimulationen den Preis für Theoretische Physik 2021. Seine Forschung hat tiefgreifende Auswirkungen auf Bereiche wie Magnetismus und Supraleitung, Vielteilchenphysik mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern, nichtlineare Quantenoptik sowie Pump-Probe-Experimente in Festkörpern.
Eugene Demler: Der Quantenphysiker erhält für seine Forschungen zu Quantensimulationen den Preis für Theoretische Physik 2021. Seine Forschung hat tiefgreifende Auswirkungen auf Bereiche wie Magnetismus und Supraleitung, Vielteilchenphysik mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern, nichtlineare Quantenoptik sowie Pump-Probe-Experimente in Festkörpern.
(Bild: Olga Demler)

Der Preis wird Demler im November 2021 in Hamburg verliehen, gemeinsam von der Joachim Herz Stiftung, dem Wolfgang Pauli Centre des DESY und der Universität Hamburg, dem Deutschen Elektronen Synchotron (DESY), sowie den beiden Exzellenzclustern „CUI: Advanced Imaging of Matter“ and „Quantum Universe“ an der Universität Hamburg.

Das Preisgeld beträgt 137.036 Euro, eine Anspielung auf die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante, die in der theoretischen Physik eine wichtige Rolle spielt. Der Hamburger Preis für Theoretische Physik wird seit 2010 an international renommierte Wissenschaftler vergeben. Er ist einer der höchstdotierten Physik-Preise in Deutschland.

Demler ist seit 2001 Professor für Physik an der Harvard-Universität in den USA und wird im Herbst 2021 an die ETH Zürich wechseln.

„Mit Eugene Demler zeichnen wir in diesem Jahr einen Forscher aus, der sich in ganz besonderer Weise um die Anwendung seiner theoretischen Arbeiten in der experimentellen Physik verdient gemacht hat. Seine Überlegungen haben viele wichtige Impulse für die Entwicklung neuer Werkstoffe, zum Beispiel für die Energieübertragung oder für die Datenverarbeitung gegeben“, so Dr. Henneke Lütgerath, Vorstandsvorsitzender der Joachim Herz Stiftung.

Mit Quantensimulation zu einem besseren Verständnis von Werkstoffen

Demler ist ein weltweit renommierter Experte in der theoretischen Quantenphysik. Seine Arbeit war unter anderem maßgeblich für die Entwicklung von Quantensimulatoren auf der Grundlage ultrakalter Atome.

Um komplexe Materialien zu verstehen, nutzen Theoretiker oft vereinfachte mathematische Modelle, analysieren diese und vergleichen die Resultate mit den experimentell gemessenen Materialeigenschaften.

Das Problem dabei: Selbst einfache mathematische Modelle zur Beschreibung korrelierter Quantensysteme lassen sich nicht präzise berechnen, wenn starke Wechselwirkungen zwischen Teilchen eine Rolle spielen. Wenn sich theoretische Vorhersagen und experimentelle Befunde widersprechen, ist deshalb oft unklar, ob das daran liegt, dass die mathematischen Gleichungen nur näherungsweise gelöst werden können, oder dass das Modell wichtige Aspekte vernachlässigt hat.

Quantensimulatoren lösen dieses Problem mit experimentellen Systemen, die fundamentale Modelle der Physik der kondensierten Materie nachbilden. Zum Beispiel indem ultrakalte Atome mit Hilfe von Laserstrahlen zu periodischen Strukturen angeordnet werden, die künstliche Kristalle bilden.

Experimente mit künstlichen Kristallen

Experimente mit solch künstlichen Kristallen erlauben es Wissenschaftlern, die Eigenschaften grundlegender theoretischer Modelle im Detail zu untersuchen und herauszufinden, was noch fehlt, um Systeme kondensierter Materie (einfacher: komplexe Materialien) präzise zu beschreiben.

Quanten-Simulationen mit kalten Atomen haben zu neuen Erkenntnissen über Materialien geführt, deren Eigenschaften durch die komplexe Wechselwirkung tausender Teilchen entstehen, die den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen. Zu diesen Materialien zählen sowohl Quantenmagnete als auch topologische Isolatoren und Supraleiter, die Elektrizität verlustfrei transportieren können.

Photonen-Transistoren, Supraleitung und Optik

Mit grundlegenden theoretischen Studien hat Demler auch den Weg zur Analyse von Quanten-Vielteilchensystemen im Nichtgleichgewichtszustand bereitet. Dabei werden zum Beispiel Elektronen oder kalte Atome in einem optischen Gitter mit einem starken Laserpuls angeregt.

Er analysierte die transienten Eigenschaften von Supraleitern, die mit Submillimeterstrahlung und Infrarotlicht angeregt werden, und untersuchte die emergenten topologischen Eigenschaften von Elektronensystemen und ultrakalten Atomen, die periodisch stimuliert werden.

Seine Arbeit hat neue Wege aufgezeigt, um die Eigenschaften komplexer Materialien optisch zu steuern – zum Beispiel, um Supraleitung zu verstärken oder topologische Zustände zu erzeugen.

Zu Demlers wichtigen Beiträgen zur Optik gehören unter anderem Vorschläge für innovative nanophotonische Bauelemente wie optische Verzögerungsschleifen auf der Grundlage topologischer Photonenzustände sowie ein Transistor für Licht, der durch ein einziges Photon gesteuert wird.

Der Physikpreis für Eugene Demler ist mit Forschungsaufenthalten in Hamburg verbunden. „Mit seinen Arbeiten hat Eugene Demler ganz entscheidende Anregungen für eine Reihe an Experimenten auch hier in Hamburg gegeben, an der Universität, bei DESY, dem Max-Planck-Institut und am European XFEL“, sagt Prof. Klaus Sengstock, Sprecher des Exzellenzclusters „CUI: Advanced Imaging of Matter“. „Ich freue mich sehr auf viele anregende Diskussionen bei seinen Forschungsaufenthalten in Hamburg.“

Über Eugen Demler

Eugene Demler (Jahrgang 1971) hat am Moskauer Institut für Physik und Technologie theoretische Physik studiert. Anschließend wechselte er zur Stanford University, wo er 1998 promovierte. Er war Junior Fellow an der Harvard Society of Fellows, wurde 2001 Assistenzprofessor in Harvard und erhielt dort 2005 eine volle Professur.

Demler ist Mitglied des Harvard-MIT Centre for Ultracold Atoms und des Institute for Theoretical Atomic Molecular and Optical Physics am Harvard Smithsonian Centre for Astrophysics.

Er erhielt 2006 den Johannes Gutenberg Lecture Award der Mainz Graduate School. 2015 wurde er mit dem Humboldt Research Award ausgezeichnet, als Fellow der American Physical Society gewählt und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik zum „Distinguished Scholar“ ernannt. Er war Senior Fellow am Institute for Theoretical Strudies an der ETH Zürich, Hanna Gastwissenschaftler an Stanford, sowie ein „More Distinguished Scholar“ am Caltech.

Wo werden Quantensimulationen eingesetzt?

Demler hat seine ersten viel zitierten Artikel über die Wechselwirkung zwischen Antiferromagnetismus und Supraleitung in Hochtemperatursupraleitern geschrieben, als er an der Stanford University unter Shoucheng Zhang an seiner Promotion arbeitete.

Als Assistenzprofessor in Harvard spielte er eine entscheidende Rolle bei der Gründung eines neuen Forschungsfeldes: der Lösung schon lange bestehender Probleme in der Physik kondensierter Materie durch den Einsatz von Atomen in optischen Gittern.

Bei diesem Verfahren werden tiefgekühlte Atome mit Laserstrahlen in periodischen Strukturen angeordnet. Die Wechselwirkung zwischen einzelnen Teilchen lässt sich durch Einstellen des Laserfeldes oder Veränderung des Magnetfeldes kontrollieren. Die präzise Manipulierbarkeit solcher Quantensimulatoren auf Basis kalter Atome steht im Kontrast zu realen Festköpern, bei denen häufig schwierig ist, verschiedene komplexe Phänomene, die gleichzeitig auftreten, isoliert zu betrachten.

Demler machte nicht nur Vorschläge für verschiedene Typen von Quantensimulatoren. Er analysierte auch, wie sich die Werkzeuge der Atomphysik nutzen lassen, um Einsichten in Quantenvielteilchensysteme zu bekommen, die sich durch die Analyse von Festkörpersystemen nicht gewinnen lassen.

Insbesondere wies er auf einen besonderen Aspekt von Experimenten mit kalten Atomen in optischen Gittern hin: Die Möglichkeit, die Positionen aller Teilchen eines Systems gleichzeitig zu erfassen. Das erlaubt die Messung von Korrelationsfunktionen hoher Ordnung sowie von vollständigen Verteilungsfunktionen von Quantenobservablen, die eine ultimative Beschreibung der Quanteneigenschaften der Vielteilchenzustände verschaffen.

Möglichkeiten von Quantensimulatoren auf Basis kalter Atome

Demler erkannte auch, dass Quantensimulatoren auf Basis kalter Atome neue Möglichkeiten für das Studium wechselwirkender Quantensysteme im Nichtgleichgewichtszustand eröffnen. Sowohl als Tool, um abstimmbare „quasi-statische“ Zustände herzustellen, als auch um die Eigenschaften dynamischer Zustände zu erkunden.

Seine Veröffentlichungen haben führende experimentelle Physiker dazu veranlasst, neue Laborexperimente durchzuführen und dadurch wertvolle Anstöße für Forschungsarbeiten über praktisch relevante Quantenphänomene gegeben. Nicht nur über Supraleitung, sondern auch über Magnetismus, topologische Isolatoren und Suprafluidität, die für Materialwissenschaftler von großem Interesse sind.

Demler kombiniert auch Werkzeuge der Quanteninformatik mit klassischem maschinellen Lernen, um praktische Anwendungen der Quantensimulatoren in anderen Bereichen zu identifizieren, etwa in der biomedizinischen Forschung. Das beinhaltet auch einen Vorschlag für die quantenunterstützte Auswertung von Kernspin-Aufnahmen, die Biologen und Klinikern helfen kann, Strukturen in lebendem Gewebe zu identifizieren.

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