Neue Simulationsmethode berücksichtigt Quantennatur des Lichts

29. Dezember 2015, 14:48
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Forscherteam mit österreichischer Beteiligung verfeinert Simulationen zu Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie

Innsbruck/Wien – Wenn man die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie simulieren will, sind die Berechnungen so komplex, dass man die Strahlung üblicherweise nur klassisch beschreiben kann. Ein europäisches Forscherteam unter Beteiligung der Universität Innsbruck hat vor kurzem in der Fachzeitschrift "PNAS" nun eine Methode vorgestellt, die es erlaubt, auch die Quantennatur des Lichts zu berücksichtigen.

Festkörper und Nanostrukturen bestehen aus Atomen und somit aus positiv geladenen Kernen und negativ geladenen Elektronen. Ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften werden weitgehend durch die Wechselwirkungen dieser fundamentalen Bausteine bestimmt. Diese Wechselwirkung erfolgt – klassisch betrachtet – über die elektromagnetischen Felder der geladenen Teilchen.

Mit den Gleichungen der Quantenelektrodynamik ließe sich die Wechselwirkung genauer beschreiben. Sie berücksichtigen die Quantennatur der Strahlung, also ihre Zusammensetzung aus kleinen, unteilbaren Portionen, den Photonen. So betrachtet interagieren die Teilchen eines Festkörpers, indem sie einzelne Photonen austauschen. Diese Gleichungen sind jedoch ausgesprochen schwer zu lösen. In der Festkörperphysik wird die Quantennatur der Strahlung daher üblicherweise vernachlässigt.

Dort ist diese Vereinfachung in den meisten Fällen auch durchaus gerechtfertigt. In anderen Teilbereichen der Physik wie der Quantenoptik kann dies jedoch zu falschen oder zumindest ungenauen Vorhersagen führen. Hier soll die neuartige Simulationsmethode nun Abhilfe schaffen.

Beschreibung als Flüssigkeit

Da die Anzahl der Teilchen den Rechenaufwand schnell explodieren lässt, war es auch bisher schon üblich, derartige Systeme als geladene Flüssigkeiten zu beschreiben. "Uns ist es nun gelungen, diesen Ansatz um die Quantisierung der Strahlung zu erweitern", erklärt Michael Ruggenthaler vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. "Wir betrachten die Materie nun als eine Art Quantenflüssigkeit, deren Fließeigenschaften durch die Photonen beeinflusst werden."

Um das Prinzip ihrer Methode zu demonstrieren, haben die Forscher ein besonders einfaches Beispiel ausgewählt: ein einzelnes Elektron in einem Hohlraum. Dieses Problem kann natürlich auch mit anderen Ansätzen exakt gelöst werden. Der Vorteil der neuen Methode ist jedoch, dass sie nach oben skalierbar ist, so Ruggenthaler. Sie sollte also auch für komplexere Systeme mit einer großen Anzahl von Teilchen funktionieren.

Im Speziellen haben es die Forscher etwa auf die Simulation sogenannter Nanoschalter abgesehen, also einzelne Moleküle, die unter Bestrahlung ihre elektrische Leitfähigkeit verändern. Laut Ruggenthaler könnte die neue Methode jedoch auch zur Vertiefung unseres Verständnisses der Photosynthese oder zur Weiterentwicklung von Photovoltaiksystemen eingesetzt werden. (APA, 29.12.2015)

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