Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Das europäische Projekt Magnetic Multiscale Modelling Suite soll Magnete ohne seltene Erden identifizieren

Mit diesem Ergebnis liegt Max-Planck im europäischen Vergleich auf Platz zwei

Im deutschlandweiten Vergleich liegt die MPG auf Platz zwei

Max Planck – New York City Center for Non-Equilibrium Quantum Phenomena in New York City eröffnet

Forscher beobachten die Arbeit eines Enzyms in bislang ungesehenem Detail

Materialeigenschaften mit Licht wie mit einem Zauberstab schalten: Das ist das Ziel von Andrea Cavalleri. Der Direktor am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg verändert mit Lasern das Verhalten von Kristallen und erzeugt so etwa für kurze Zeit Supraleiter, die Strom bei Zimmertemperatur verlustfrei leiten.

Ob Kristallstrukturen mit ihrem Spiegelbild übereinstimmen bestimmt normalerweise, wie sich Elektronen darin verhalten dürfen. Forscher am MPSD haben mit einem internationalen Team nachgewiesen, dass die Elektronen des Kagome-Supraleiters CsV₃Sb₅ überraschenderweise nicht spiegelsymmetrisch sind, obwohl es die Kristallstruktur eigentlich ist. Die Elektronen ordnen sich selbst nicht spiegelsymmetrisch an und die Ordnung kann mit Magnetfeldern verändert werden – ein bisher nicht bekanntes Phänomen. Diese schaltbare Händigkeit könnte in zukünftigen Technologien Anwendung finden.

 In den letzten Jahren ist es gelungen, kurze und starke Laserpulse mit vielen Photonen zu erzeugen, die auf extrem schnellen Zeitskalen mit Materialien wechselwirken und das Verhalten dieser Materialien verändern. Im benachbarten Forschungsgebiet der Quantenoptik stehen dagegen die Quantenfluktuationen des Lichts im Mittelpunkt, bei denen nur wenige virtuelle Photonen im Vakuum entstehen und wieder verschwinden. Am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg schlagen wir nun eine Brücke zwischen diesen beiden Bereichen. Wir erforschen das Potenzial von klassischem und Quantenlicht, um Designermaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu kreieren, die neue energiesparende und quantentechnische Anwendungen ermöglichen könnten.

Wie hat die Natur biologische Strukturen optimiert, um chemische Prozesse optimal in lebende Systeme umzuwandeln? Bei der Überschreitung chemischer Barrieren (etwa 100 Femtosekunden) wurde vorgeschlagen, dass die Natur Form und Funktion so optimiert, dass Quanteneffekte gezielt genutzt werden, um die Kohärenz auszudehnen - einschließlich der elektronischen Kohärenzen, die empfindlich auf Umgebungsschwankungen reagieren. In enzymatischen Prozessen, die Mikrosekunden andauern, steuern stochastische, thermisch angetriebene Bewegungen die Chemie, um biologische Funktionen anzutreiben.

Supraleiter zeigen die bemerkenswerte Eigenschaft, elektrischen Strom bei sehr tiefen Temperaturen widerstandslos leiten zu können. Der Einsatz dieser Materialien im alltäglichen Leben ist allerdings dadurch begrenzt, dass dafür Temperaturen von mindestens −70°C notwendig sind. In Kohlenstoff-basierten Molekülen gelang es nun, durch Bestrahlung mit intensiven mittelinfraroten Laserblitzen den supraleitenden Zustand kurzfristig bei höheren Temperaturen zu erreichen. Die Erkenntnisse helfen bei der Entwicklung neuer Materialien, die bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend werden.

Die Eigenschaften eines Materials, z.B. seine Leitfähigkeit, können durch Wechselwirkung mit Licht gezielt verändert werden. Dies kann mittels vieler Photonen in Form eines Laserstrahls geschehen, in manchen Fällen genügen aber bereits wenige Photonen. Forscher der Theorie-Abteilung am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg verwenden beide Extreme, um neuartige Zustände der Materie zu untersuchen: Mit Lasern können bisher unbeobachtete Materiezustände theoretisch erzeugt werden, und chemische Reaktionen lassen sich durch den Einfluss weniger Photonen verändern.