Was kann man daraus lernen, wenn man Atome eines bestimmten Helium-Isotops in wenigen Lagen übereinander anordnet und ihr Verhalten theoretisch modelliert? Dazu stand Jan Werner, der erste Absolvent der Graduate School of Science and Technology (GSST) der Universität Würzburg, dem Promotionskomitee und rund dreißig Zuhörern ausgiebig Rede und Antwort – bei der öffentlichen Verteidigung seiner Dissertation am 27. März 2015.
Mit zwei übereinander liegenden Schichten des Helium-Isotops He-3 kann man nahe am absoluten Gefrierpunkt eine Art Quanten-Simulator für Materialien bauen, die „schwere Elektronen“ enthalten. Die simulierten Materialien haben sehr spezielle und potenziell nützliche Eigenschaften, zum Beispiel in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit oder auf Magnetismus.
Materialien mit schweren Elektronen könnten in künftigen Generationen elektronischer Bauelemente und als Datenspeicher zum Einsatz kommen. Die schweren Elektronen haben scheinbar eine um den Faktor 100 bis 1000 größere Masse als gewöhnliche Elektronen. Dementsprechend „träge“ verhalten sie sich, zum Beispiel, wenn man eine Spannung an eine solche Probe anlegt. Die Ursache dafür ist ein quantenmechanischer Effekt, der „Kondo-Effekt“.
Wie Computer-Simulationen helfen können
Bevor man aber an Anwendungen denkt, muss die Forschung noch besser verstehen, wie die besonderen Eigenschaften dieser Materialien zustande kommen. Denn bisher gibt es bei der Interpretation der experimentellen Ergebnisse noch eine Reihe von Ungereimtheiten.
Hier können Computer-Simulationen helfen, wie Jan Werner sie durchgeführt hat. Sie ermöglichen es, das Verhalten auf der Ebene einzelner Atome in den Helium-Schichten zu modellieren und damit Einblicke zu gewinnen, die im Experiment nicht möglich sind. In seinen Simulationen konnte Jan Werner nicht nur die experimentell beobachteten „schweren“ Helium-Atome reproduzieren. Er konnte ihr Verhalten auch besser erklären. Seine Ergebnisse deuten auf einen sogenannten Phasenübergang erster Ordnung hin, wie er auch beim Gefrieren von Wasser auftritt. Allerdings „froren“ in diesem Fall nur die Helium-Atome in einer der beiden Schichten ein. „Das gibt unseren Kollegen in der Experimentalphysik neue Ansatzpunkte für ihre Arbeit“, freut sich der Erstbetreuer der Arbeit, Professor Fakher Assaad.
Fakten zur Graduate School GSST
Die GSST ist eine Graduiertenschule, in der sieben Fakultäten zusammenwirken: Physik und Astronomie, Chemie und Pharmazie, Mathematik und Informatik, Biologie, Medizin; außerdem die Philosophische Fakultät (Geographie) und die Humanwissenschaften (Mensch-Computer-Medien).
Die GSST besteht seit 2011 und ist damit die jüngste Einrichtung im Verbund der University of Würzburg Graduate Schools (UWGS). Insgesamt decken unter dem Dach der UWGS vier Graduiertenschulen alle Forschungsbereiche der Universität ab. Ihr Zuschnitt orientiert sich über Fakultätsgrenzen hinweg an gemeinsamen Methoden, Inhalten und Forschungsinteressen.
Die derzeit 35 Promovierenden der GSST arbeiten häufig an interdisziplinären Projekten. Beispiele dafür sind die Optimierung von Bestrahlungen in der Krebstherapie durch verbesserte Bildrekonstruktion, die Herstellung und Charakterisierung von Filmen aus Kohlenstoff-Nanoröhren für die Photovoltaik oder die Entwicklung neuer mathematischer Methoden für die Beschreibung der Atmosphäre von Sternen.
Dabei sind die Nachwuchswissenschaftler untereinander durch fachliche und überfachliche Veranstaltungen vernetzt. Ein Komitee aus jeweils drei Betreuern begleitet jeden Einzelnen Promovenden bei der Arbeit.
Von Stephan Schröder-Köhne
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