7. Juli 2026

Foto: MPSD, Joerg Harms

Über viele Jahre hinweg wurde die Verwendung optischer Hohlräume zur Kontrolle des Verhaltens von Photonen perfektioniert. In seiner einfachsten Ausführung besteht ein optischer Hohlraum aus zwei Spiegeln, zwischen denen Photonen eingefangen werden können.

Eine besonders interessante, aber auf den ersten Blick kontraintuitive Idee zur Kontrolle der Quantenwelt besteht darin, die Quantenfluktuationen des Photonenfeldes zu nutzen, um die Eigenschaften von Materialien zu beeinflussen. Im Exzellenzcluster CUI wird diese Idee in den Forschungsarbeiten von Prof. Angel Rubio und Dr. Michael Ruggenthaler in die Realität umgesetzt. Teil 3 unserer Serie zum Forschungsmagazin „Advanced Imaging of Matter - Sieben Jahre CUI im Fokus" befasst sich mit der Technologie der Quantenfluktuation und ihrem Weg zur industriellen Anwendung.

Als die Pioniere der Quantenphysik – Max Planck, Niels Bohr, Erwin Schrödinger und andere – entdeckten, dass die Gesetze der Physik auf mikroskopischer Ebene revidiert werden mussten, ahnten sie nicht, dass ihre wissenschaftliche Revolution auch eine völlige Umgestaltung von Technik und Gesellschaft mit sich bringen würde. Im Nachhinein wird dieser epochale Wandel als „erste Quantenrevolution“ bezeichnet. Mehr als einhundert Jahre später erleben wir auf der Grundlage der Entwicklungen anderer brillanter Wissenschaftler wie Richard Feynman, Serge Haroche oder der Physik-Nobelpreisträger des Jahres 2022, Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger, eine „zweite Quantenrevolution“. Diesmal ist es die Möglichkeit, die Quantenwelt präzise zu kontrollieren, die neue Technologien verspricht, darunter Quantencomputer und Quantensensorik.

Wie lässt sich Kontrolle über die Quantenfluktuationen erreichen?

Im täglichen Leben nehmen wir Licht und Materie als zwei unterschiedliche Einheiten wahr. Das Erste ist flüchtig und dynamisch, das Zweite dauerhaft und stabil. Auf der Quantenebene gibt es jedoch keine strikte Unterscheidung zwischen den beiden. Photonen – die Quantenpartikel des Lichts – sind der Klebstoff, der Atome, Moleküle und Festkörper zusammenhält. Sie machen sogar einen Teil der Masse von geladenen Elementarteilchen wie Elektronen und Positronen aus. Aus dieser Perspektive scheint es nicht mehr unmöglich, durch die Kontrolle der Quantenfluktuationen der Photonen Eigenschaften von Materialien wie ihre Leitfähigkeit oder ihre Grundstruktur maßzuschneidern. Aber wie lässt sich eine solche Kontrolle über die Quantenfluktuationen erreichen?

Eine Antwort liefert die Quantenoptik. Über viele Jahre hinweg wurde die Verwendung optischer Hohlräume zur Kontrolle des Verhaltens von Photonen perfektioniert. In seiner einfachsten Ausführung besteht ein optischer Hohlraum aus zwei Spiegeln, zwischen denen Photonen eingefangen werden können. Diese Spiegel fangen jedoch nicht nur reale, sondern auch virtuelle Photonen ein.

Das heißt, die Spiegel kontrollieren auch die Quantenfluktuationen des elektromagnetischen Feldes. Bringt man nun Materie wie Moleküle oder zweidimensionale Materialien in diesen Hohlraum ein, so wird der „photonische Klebstoff“, der sie zusammenhält, leicht verändert, sodass sich Veränderungen an diesen Molekülen oder zweidimensionalen Materialien beobachten lassen. Das Wichtigste für technologische Anwendungen ist, dass diese Veränderungen ohne jeglichen externen Energieverbrauch stattfinden – der Hohlraum ist „dunkel“ – und dass sie sogar bei Raumtemperatur beobachtet werden können. Beide Eigenschaften machen die Quantenfluktuationstechnologie offensichtlich hochinteressant. Das Zusammentreffen der günstigen Eigenschaften scheint fast zu schön, um wahr zu sein. Wo ist also der Haken?

Wo ist der Haken?

Der Haken an der Sache ist, dass das Zusammenspiel von Photonenfluktuationen mit Materialien auf der mikroskopischen Skala aus theoretischer Sicht extrem schwer vorherzusagen und zu verstehen ist. Denn hier prallen zwei völlig unterschiedliche Bereiche der Physik, die elektronische Strukturtheorie und die Quantenoptik, aufeinander. Um sie konsistent zu kombinieren, muss man sich der Quantenelektrodynamik zuwenden und Berechnungswerkzeuge entwickeln, mit denen die resultierende Gleichung im Niedrigenergiebereich vollständig nicht-perturbativ gelöst werden kann. Diese Notwendigkeit führte zur Entstehung des neuen Feldes der Ab-initio-Quantenelektrodynamik, für das die CUI-Forschung Pionierarbeit geleistet hat. Mithilfe dieser Berechnungsmethoden, einschließlich der quantenelektrodynamischen Dichtefunktionaltheorie, lernen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Schritt für Schritt, wie Quantenfluktuationen des Lichts Material- und chemische Eigenschaften verändern können. Auf der Grundlage dieses Verständnisses können sie nun theoretische Vorhersagen treffen, etwa über das Auftreten von hohlraumgesteuerten Phasenübergängen oder chemischen Reaktionen. Diese Vorhersagen können dann in Experimenten überprüft werden. Wenn unser Verständnis so schnell wächst wie in den letzten Jahren in unserem Cluster, könnten wir bald die ersten industriellen Anwendungen der Quantenfluktuationstechnologie bei Raumtemperatur erleben. Text: Michael Ruggenthaler, Angel Rubio

Literatur

• M. Ruggenthaler et al., Nature Reviews Chemistry, 2, 0118 (2018).
• M. Ruggenthaler et al., Physical Review A 90, 012508 (2014).
• S. Latini et al., Proceedings of the National Academy of Sciences 118, e2105618118 (2021).
• I. Lu et al., Proceedings of the National Academy of Sciences 121, e2415061121 (2024).
• D. Sidler et al., The Journal of Chemical Physics 156, 230901 (2022).
• M. Ruggenthaler et al., Chemical Reviews 123, 11191 (2023).
• D. Sidler et al., Journal of Chemical Physics 156, 230901 (2022).
• M. Kamper Svendsen et al., arXiv:2312.17374 (2023).
• D. Sidler et al., arXiv:2409.08986 (2024).