Nichtgleichgewichtsmaterie als Antrieb für Quantenmaschinen

01.05.2022 bis 30.04.2025

Motoren wandeln Energie in mechanische Arbeit um. Diese kann dann dazu benutzt werden Räder, Fahrzeuge oder auch Schiffe anzutreiben. Üblicherweise sind Motoren Wärmekraftmaschinen, und seit ihrer Erfindung haben Sie Industrie, Wirtschaft und Gesellschaft revolutioniert. Heutzutage gibt es einen starken Trend hin zur Miniaturisierung technischer Geräte, und letztlich damit auch einen Bedarf and miniaturisierten Motoren. Erste Experimente haben bereits gezeigt, dass Wärmekraftmaschinen selbst auf Quantenskalen in der Tat realisierbar sind. Diese Maschinen beruhen auf demselben Prinzip wie klassische Motoren, was aber in der Praxis problematisch ist, da solch ein Ansatz eine präzise Kontrolle der Prozesse auf Quantenebene erfordert. Ich habe in meinen Forschungsarbeiten gezeigt, dass dieses Problem dadurch gelöst werden kann, indem man gezielt dissipative, d.h. irreversible, Prozesse einsetzt, um Motoren auf Quantenebene zu realisieren. Dies erlaubt den Quantensystemen – in der Praxis zum Beispiel bestehend aus kalten Atomen – sich gewissermaßen selbst zu organisieren, so dass sie periodische Oszillationen durchführen, die sich selbstständig und ohne externe Kontrolle aufrechterhalten. Diese Systeme wandeln somit spontan „statische“ Energie in eine periodische Kolbenbewegung um, die letztlich Maschinen antreiben kann. Die weitere Erforschung dieses neuen Mechanismus zur Erzeugung von Arbeit hat, meiner Meinung nach, das Potential das Feld der Quantenmaschinen entscheidend voranzutreiben.

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung neuer Methodiken und theoretischer Grundlagen zur Erforschung und letztlich Realisierung von Quantenmaschinen, die auf exotischen Nichtgleichgewichtszuständen von Materie beruhen. Mein Forschungsansatz verbindet Konzepte aus den Bereichen offene Quantensysteme, statistische Physik und stochastischer Thermodynamik. Weiterhin ist es mein Bestreben diese theoretische Forschung direkt mit aktuellen Experimenten im Bereich Quantensimulation mit kalten atomaren Gasen in Verbindung zu bringen. Das Forschungsumfeld an der Universität Tübingen, mit seinen international führenden Gruppen in den Bereichen Klassische und Quantennichtgleichgewichtsphysik, Quanteninformationstheorie sowie experimentelle Atomphysik, ist für dieses Projekt ideal geeignet. Es ergänzt sich hervorragend mit meiner Expertise auf den Gebieten offene Quantensysteme, Stochastische Thermodynamik und der Theorie der großen Abweichungen (large deviation theory). Das geplante Forschungsvorhaben ist hochgradig aktuell und interdisziplinär. Die zu erwartenden Ergebnisse werden die Felder Quantenthermodynamik und Vielteilchentheorie vorantreiben und darüber hinaus neuen Experimente stimulieren.