Quantengruppen
Prof. Dr. Gordon Callsen
Festkörperspektroskopie
Welche Vielfalt von wechselwirkenden Quantensystemen lassen sich in Festkörpern beobachten?
Festkörper und ihre zugehörigen Nanostrukturen finden sich in jedem Handy, Laptop und Smartwatch. Deren optischen, vibronischen und elektronischen Eigenschaften lassen sich allein quantenphysikalisch beschreiben. Die Spektroskopie ermöglicht einen einmaligen Einblick in die Vielzahl von Quantensystemen in solchen Nanostrukturen.
Mit Photonen, lässt sich z.B. die Quantisierung von Ladungen und Atomschwingungen, als auch deren Transport als Grundlage des elektrischen Stroms und des Wärmestroms, untersuchen. Es ist somit unser zentrales Ziel fundamentale Quantisierungen und damit verbundene Phänomene des Quantentransports in Festkörpern zu verstehen.
Prof. Dr. Martin Eickhoff
Festkörpermaterialien
Herstellung von Quantenstrukturen und Quantenmaterialien
Die Untersuchung und Nutzung von Quanteneffekten in Festkörpern und Halbleitern erfordert die Verfügbarkeit von kontrolliert hergestellten Quantenstrukturen.In unserer Forschungsgruppe nutzen wir moderne Verfahren der Materialsynthese, um ein- und zweidimensionale Halbleiterstrukturen herzustellen, in denen Quantenphänomene sichtbar und technologisch nutzbar werden. Durch Molekularstrahlepitaxie stellen wir zum Beispiel zweidimensionale Quantenscheiben mit einer Dicke von 2-3 Atomlagen oder eindimensionale Quantendrähte mit einem ebenso geringen Durchmesser her. Die Atomlagendeposition nutzen wir, um zweidimensionale Materialien in ihrer lateralen Ausdehnung soweit zu beschränken, dass quasi-eindimensionale Strukturen entstehen. Die grundliegenden strukturellen, optischen und elektronischen Eigenschaften derartiger Strukturen untersuchen wir in Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen Rosenauer, Callsen und Sentef. Die Wechselwirkung solcher Quantenstrukturen mit der Umwelt, z.B. mit Gasmolekülen, nutzen wir zur Anwendung in quantentechnologischen chemischen Sensoren
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Prof. Dr. rer.nat. Jens Falta
Oberflächenphysik
Quantenstrukturen an Oberflächen
Quantenstrukturen können durch eine Reduzierung der Dimensionalität des Systems realisiert werden. Filme mit einer Schichtdicke von nur 1-3 Atomen lassen sich auf Oberflächen herstellen und bilden Modellsysteme für das Studium von Quantenstrukturen. Mittels Elektronenbeugung und -spektroskopie untersuchen wir 2-dimensionale Kohlenstoffschichten, sogenanntes Graphen, und 2-dimensionale Schichten aus chemischen Verbindungen aus der Klasse der Dichalcogenide, wie Molybdänsulfid oder -selenid, die Quanteneigenschaften zeigen. Unsere Messmethoden ermöglichen uns diese System hinsichtlich ihrer Struktur und ihrer Bindung zu den Substraten, auf denen sie mit Methoden der Molekularstrahlepitaxie aufgebracht werden, genau zu charakterisieren und den Bezug zwischen ihren Eigenschaften und ihrer detaillierten Struktur aufzuklären. Die niederenergetische Elektronenmikroskopie erlaubt es uns das Wachstum dieser Systeme und die Entkopplung von ihren Substraten live (in-situ) zu beobachten und so ihre Herstellungsparameter zu optimieren. Unsere Forschung erfolgt in enger Kooperation mit den Arbeitsgruppen Eickhoff und Rosenauer.
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Prof. Dr. Christoph Kulgemeyer
Didaktik der Physik
Wie kann man Wissenschaftler:innen dabei helfen, ihre Ergebnisse der Öffentlichkeit verständlicher zu erklären?
Die Bremer Physikdidaktik arbeitet daran, nicht nur zu verstehen, wie gutes und verständliches Erklären funktioniert – sondern auch zu vermitteln, wie Wissenschaftler:innen gut erklären können. In einem neuen Projekt innerhalb des Exzellenzclusters QuantumFrontiers wird gemeinsam mit Kolleg:innen an der TU Braunschweig ein Training insbesondere für Doktorierende in Forschungsgebieten mit Bezug zur Quantenphysik entwickelt und empirisch optimiert, in dem sie lernen, ihre Ideen und Ergebnisse der Öffentlichkeit besser kommunizieren zu können.
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PD Dr. Sven Herrmann
Experimentelle Gravitation und Quantenoptik
Wie lassen sich Quantensysteme für Sensorik und Grundlagenforschung in der Raumfahrt nutzen?
Quanteneffekte lassen sich besonders gut an atomaren Gasen beobachten, wenn diese unter anderem mittels Laserkühlung zu tiefsten Temperaturen abgekühlt werden. Im Weltraumeinsatz unter Bedingungen der Schwerelosigkeit, lassen sich damit besonders empfindliche Quantensensoren für die Erdbeobachtung oder auch Quantenspeicher für künftige satellitengestützte Quantenkommunikationsnetzwerke realisieren. Konzepte hierfür entwickeln und testen wir in unserer Arbeitsgruppe am Fallturm Bremen. Neben der Erprobung neuer Ideen gehört dazu auch die technische Weiterentwicklung der Hardware, die die speziellen Anforderungen eines zukünftigen Weltraumeinsatzes auf Satelliten oder der internationalen Raumstation erfüllen muss.
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Prof. Dr. Frank Jahnke
Theoretische Physik
Wie kann die Licht–Materie-Wechselwirkung in Quantenmaterialien zur Realisierung nichtklassischer Lichtquellen und Nanolaser genutzt werden?
Quantenmaterialien ermöglichen die gezielte Erzeugung neuer elektronischer Zustände. Über ihre Wechselwirkung mit Licht erhalten wir direkten Zugang zu den elektronischen Eigenschaften dieser Systeme. In Kombination mit nanophotonischen Resonatoren lassen sich so auch nichtklassische Lichtzustände erzeugen – eine wesentliche Grundlage für Quantenkommunikation und Quantencomputer. Unsere Arbeitsgruppe entwickelt theoretische Modelle und Computersimulationen, um solche Systeme ausgehend von den elementaren Wechselwirkungsprozessen zu beschreiben. Wir untersuchen die Quanteneigenschaften neuartiger Lichtzustände und erforschen Wege zur Miniaturisierung von Lasern bis in den Nanobereich. Dies eröffnet Perspektiven für die Integration von solchen Lichtquellen in Mikrochips und für eine deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs in optischen Netzwerken.
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Prof. Dr. Claus Lämmerzahl
Gravitationsphysik
Wie verhalten sich Quantensysteme im Gravitationsfeld?
Alle Teilchen und Felder können quantisiert werden, nur die Gravitation sträubt sich (noch) dagegen. Daher ist es wichtig, alle möglichen gravitativen Wechselwirkungen von Gravitation und Quantensystemen theoretisch wie experimentell zu untersuchen. Diese Systeme sind Photonen, Elektronen, Neutronen, Atome, Bose-Einstein-Kondensate und auch verschränkte Systeme. Damit beschreiben wir Atomuhren, Interferometer, Quantenkommunikation und anderes mehr. Es geht um Grundlagenforschung, aber auch um praktische Anwendungen wie Positioning, Geodäsie und satellitengestützte Quantenkommunikation - und damit auch viel um Raumfahrt.
Prof. Dr. Meike List (DLR und Universität Bremen)
Weltraumwissenschaften und Satellitenmodellierung
Anwendungsfelder von Quantensensoren im Weltraum und auf der Erde
Quantensensorik mit ultrakalten Atomen nutzt Materiewelleninterferometrie zur Erforschung neuer Inertialsensoren, die es zukünftig ermöglichen werden, hochpräzise Messungen von Rotationen und Beschleunigungen mit beispielloser Langzeitstabilität durchführen zu können. Sie ersetzen dabei nach und nach klassische Sensoren und ergänzen sie in hybriden Systemen. Anwendungsgebiete für derartige Quantensensoren mit hoher Sensitivität sind das terrestrische und satellitengestützte Monitoring des Klimawandels mit Hilfe von Gradiometrie und Gravimetrie, aber auch Navigationssysteme (wie z.B. GPS oder allgemein GNSS). Ebenso die Simulation dieser Systeme unter Berücksichtigung realer Umweltbedingungen ist ein wichtiges Thema, und stellt hohe Anforderungen an die Modellierung von z.B. Satelliten und deren Wechselwirkungen mit den Umweltbedingungen im Weltraum.
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Prof. Dr. Andreas Rosenauer
Elektronenmikroskopie
Wie lassen sich Quantensysteme auf der atomaren Skala charakterisieren?
Um Quantensysteme zu verstehen, muss man zunächst wissen, wie sie aufgebaut sind. Da Strukturen mit Quanteneigenschaften meist äußerst klein sind – oft nur wenige Atome breit, ist dies keine einfache Aufgabe. Will man erkennen, welche Atome sich wo genau befinden und welche elektrischen Felder innerhalb der Struktur herrschen, bedarf es einer Methode, vergrößerte mikroskopische Bilder von ihr zu erzeugen. Mit Licht oder anderen elektromagnetischen Wellen ist das jedoch nicht möglich. Die Elektronenmikroskopie erlaubt solche Abbildungen durch den Einsatz extrem schneller Elektronen. Begleitende Quantensimulationen ermöglichen dabei vielfältige quantitative Auswertungen. Unsere Forschung erfolgt dabei in intensiver Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen Callsen, Eickhoff und Falta innerhalb des Institutes für Festkörperphysik.
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Prof. Dr. Michael Sentef
Quantenmaterialien
Wie kann Licht die Eigenschaften von Materialien verändern und damit die Technologien von morgen ermöglichen?
Die Forschungsgruppe Light-Matter Control of Quantum Materials (LMCQM) an der Universität Bremen erforscht, wie ultrakurze Lichtimpulse genutzt werden können, um elektronische, magnetische und strukturelle Eigenschaften neuartiger Quantenmaterialien gezielt zu steuern. Mit theoretischen Modellen und Simulationen untersuchen wir Phänomene wie lichtinduzierte Supraleitung, Floquet-Zustände in verschiedenen Systemen und die Wechselwirkung von Licht mit Materialien in optischen Resonatoren. Unsere Erkenntnisse tragen dazu bei, die Grundlagen für zukünftige Anwendungen in der Quanteninformation, Spintronik und optoelektronischen Technologien zu schaffen.
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Dr. Christian Vogt (BIAS)
Quantensensorik
Welche Vorteile bringt Quantentechnologie für Messsysteme?
Die Quantentheorie hat eine Vielzahl von möglichen Messprinzipien hervorgebracht. Am BIAS beschäftigen wir uns zu einem großen Teil mit der Frage, welche davon in naher Zukunft Anwendung finden können und einen praktischen Vorteil bringen. Diese versuchen wir z.B. mit Hilfe von Industriepartnern auf verschiedene Problemstellungen anzupassen. Zurzeit stehen insbesondere Magnetfeldmessungen mit NV-Zentren und Gasmessungen mit „undetektierten“ Photonen im Fokus. Darüber hinaus nutzen wir kleine, in einem Laser gefangene Glaskügelchen, um fundamentale Fragen nach dem Gültigkeitsbereich der Quantenmechanik zu untersuchen.
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