Die Physik der besonderen Art im Visier: Das Titelthema der Mai-Ausgabe von bild der wissenschaft ist der Erforschung der geheimnisvollen Quantenwelt gewidmet. Im Fokus steht dabei ein Konzept, das den Umgang mit der enormen Komplexität der Systeme erleichtern kann: Die Quantensimulation ermöglicht neue Einblicke in die skurrilen Effekte im Mikrokosmos und schafft damit Grundlagen für technische Anwendungen.
Bizarre, geradezu magisch anmutende Effekte: Das komplexe Verhalten von Materie im Größenbereich der Atome und ihrer Bestandteile sorgt für Staunen. In den letzten Jahren ist die Quantenphysik zu einem immer wichtigeren Forschungsfeld avanciert und ins öffentliche Blickfeld gerückt. Denn sie bildet die Grundlage für das Verständnis von Phänomenen der unterschiedlichen Teilbereiche der Physik. Außerdem kann die quantenphysikalische Forschung zur Entwicklung raffinierter Anwendungen führen: von Lasertechniken über die Bildung neuartiger Materialien und Wirkstoffe bis hin zu Quantencomputern.
Komplexe Herausforderungen
Im ersten Artikel des dreiteiligen Titelthemas „Quanten-Simulation“ nimmt der bdw-Redakteur Ralf Butscher den Leser zunächst mit in die Labore des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching. Um den Effekten der Quantenwelt auf die Spur zu kommen, betreiben Forschende dort aufwendige Experimente: Sie untersuchen etwa die Wechselwirkung von Atomen mit Laserlicht. Dabei verdeutlicht der Autor erneut die erstaunlich wirkenden Phänomene, die die Quantenmechanik prägen: Ein Quantenobjekt – wie ein Elektron – kann unterschiedliche Eigenschaften gleichzeitig annehmen. Vereinfacht dargestellt, kann es sich sowohl links als auch rechts herum drehen.
Derartig komplexe Phänomene stellen die Erforschung der Quantenphysik vor enorme Herausforderungen, erklärt Butcher. Denn die Effekte lassen sich selbst durch die Leistung von Supercomputern kaum nachvollziehen. Um den Blick hinter den Vorhang des Quantenkosmos zu erleichtern, wenden die Forschenden nun die sogenannte Quantensimulation an. Butscher beschreibt, was es mit diesem experimentellen Instrument auf sich hat und wie es selbst die Erforschung hochkomplexer Systeme aus mehreren Quantenteilchen ermöglichen kann. Auch die Entwicklung von Anwendungen kann dabei profitieren: Besondere Formen atomarer Quantensimulationen könnten sich etwa für Quantencomputer nutzen lassen, geht aus dem Artikel „Die Quanten-Arena“ hervor.
Quantengasmikroskopie und Anwendungspotenziale
Anschließend rückt Butscher ein besonders spannendes Instrument der quantenphysikalischen Forschung in den Mittelpunkt: das Quantengasmikroskop. Diese raffinierte Technik ermöglicht es, das Verhalten von Teilchen wie Atomen oder Molekülen detailliert zu beobachten. Der Autor beschreibt, wie bei dem System Teilchen in einer Ebene eines Lichtgitters bei extrem tiefen Temperaturen präpariert werden und sich dann mit einem hochauflösenden Objektiv untersuchen lassen. In der letzten Zeit wurde die Quantengasmikroskop-Technik auch entscheidend weiterentwickelt, wodurch sich neue spannende Untersuchungsmöglichkeiten ergeben, berichtet Butscher im Artikel „Atome im Visier“.
Im dritten Teil des Titelthemas steht das Potenzial der Quantensimulation für die Entwicklung von teils futuristisch wirkenden Anwendungen im Fokus. Die Methode könnte demnach die Erforschung von Stoffen voranbringen, deren skurril wirkende Eigenschaften auf quantenphysikalischen Effekten beruhen. Butscher richtet dabei den Blick auf die Entwicklung von Supraleitern, die elektrischen Strom bei Raumtemperatur verlustfrei leiten und damit zu einer effizienteren Versorgung führen könnten. Außerdem könnte die Technologie künftig für die chemische Industrie und die Pharmaforschung Potenziale eröffnen. Denn auch die Eigenschaften von Katalysatoren und Medikamenten haben mit quantenphysikalischen Effekten zu tun, geht aus dem Artikel „Heiße Spuren“ hervor.
Die Artikel des Titelthemas „Quanten-Simulation“ können Sie im Rahmen eines bdw+ Abonnements online lesen, oder Sie finden sie in der Mai-Ausgabe von bild der wissenschaft, die ab dem 19. April im Handel erhältlich ist.
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