Eine Rechnung mit Trilliarden Teilchen

25. September 2012, 17:55
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Quantenphysiker Karsten Held entwirft Theorien für die Materialforschung

Wenn man einen Gegenstand mit den Gesetzen der Quantenphysik beschreiben will, wird selbst ein kleines Stück Eisen zu einem großen Problem. In einem Würfel von einem Zentimeter Länge, einem Zentimeter Höhe und einem Zentimeter Breite befinden sich rund 1023 (hundert Trilliarden) frei bewegliche Elektronen. Mit einem Computer lässt sich gerade einmal ein System von acht Teilchen quantenphysikalisch berechnen. Doch Karsten Held hat Rechenmethoden entwickelt, mit denen er auch wesentlich größere Systeme beschreiben kann.

Der Professor für Theoretische Physik an der Technischen Universität Wien wurde kürzlich mit dem ERC-Starting-Grant ausgezeichnet. Mit dem Preis, der mit rund 1,5 Millionen Euro dotiert ist und als einer der begehrtesten in der EU gilt, will Held vor allem neue Mitarbeiter einstellen, um die Erforschung von Materialeigenschaften von Eisen, Kobalt, Nickel sowie deren unterschiedlichsten Verbindungen bis hin zu seltenen Erden voranzutreiben.

Doch selbst der Supercomputer des Vienna Scientific Clusters, den ihm die TU Wien für seine Berechnungen zur Verfügung stellt, wäre mit den Berechnungen überfordert, wenn die Wissenschafter keine Methoden parat hätten, um die Rechnungen zu vereinfachen. Eine ist die sogenannte dynamische Molekularfeldtheorie, als einer deren Pioniere Held gilt. Doch auch die vereinfachten Rechnungen sind sehr aufwändig und können " schon einmal eine Million Core-Stunden" benötigen. Aufgrund der parallelen Rechenmethode lässt sich die Rechendauer aber wesentlich reduzieren.

Obwohl diese Forschung ausschließlich am Computer betrieben wird, hat Held in seinem Büro im achten Stock am Wiener Karlsplatz eine Tafel an der Wand. "Da entwickeln wir neue Ideen oder Methoden", sagt er. Kaum eine Zahl ist darauf zu finden, aber Symbole und viele Graphen, die sogenannten Feynman-Diagramme. Der Nobelpreisträger Richard Feynman entwickelte sie 1949, um etwa die Wechselwirkung von zwei Elektronen darzustellen.

Für Held sind die Diagramme, mit denen Feynman nicht nur seine Publikationen illustrierte, sondern auch - wie er in seinen Memoiren schreibt - sein damaliges Auto besprayte, ein wichtiges Hilfsmittel, denn die einfachen Zeichnungen ersetzen oft mühselige Rechnungen.

Durch den ERC-Grant ist Held zuversichtlich, die Supraleitung besser beschreiben zu können - möglicherweise kann endlich erklärt werden, warum Hochtemperatursupraleiter schon bei -140 Grad Celsius ihren Widerstand verlieren, wohingegen die Supraleitung konventionell erst bei -260 Grad einsetzt. Auch ist zu erwarten, dass durch die Erforschung der Eigenschaften wesentlicher Materialien unserer modernen technischen Geräte diese langfristig verbessert werden können.

Bevor Held 2008, wie er sagt, in seiner "final destination" Wien gelandet ist, legte er zahlreiche Stationen zurück: Ein "'random walk' in Deutschland" - 1971 in Clausthal-Zellerfeld in Niedersachsen geboren, Schulzeit in Münster, Studium in Aachen, Promotion in Augsburg, Habilitation in Stuttgart - sowie Forschungsaufenthalten in Princeton und Davis.

Er ist verheiratet und hat drei Töchter. Dass eine von ihnen einmal Physikerin wird, glaubt er nicht: "Wenn der Papa schon Physik macht, ist das sicherlich nicht das Richtige." (Tanja Traxler, DER STANDARD, 26.9.2012)

  • Karsten Held erhielt europäischen ERC-Grant.
    foto: tu wien

    Karsten Held erhielt europäischen ERC-Grant.

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