Den Nordwesten auf der Landkarte der Quantenphysik sichtbarer zu machen – das ist das Ziel von Forschenden aus Oldenburg und Bremen. Vor kurzem haben sie gemeinsam mit Partnern aus Aachen und Hamburg den „Knoten“ eines internationalen Forschungsnetzwerks gegründet.
Festkörper und Stoffe, deren Eigenschaften sich auf atomarer Ebene durch Licht gezielt verändern lassen und die den eigenartigen Gesetzen der Quantenphysik gehorchen – das sind Quantenmaterialien. Zu diesen ungewöhnlichen Substanzen zählen beispielsweise Supraleiter, die den elektrischen Strom fast ohne Widerstand leiten oder hauchdünne, nur aus wenigen Atomlagen bestehende Kristalle, die anders auf Licht reagieren als massive Festkörper. „Bauteile aus Quantenmaterialien könnten beispielsweise bei der optischen Datenübertragung oder in sogenannten quantenneuronalen Netzen zum Einsatz kommen und in Zukunft ähnlich wichtig werden könnte wie Halbleiter für die heutige Elektronik“, erklärt Prof. Dr. Christopher Gies, Hochschullehrer für Quantentheorie an der Universität Oldenburg.
Mit den ungewöhnlichen Eigenschaften dieser vielversprechenden Materialen befasst man sich sowohl im Fachbereich Physik der Uni Bremen als auch am Institut für Physik der Universität Oldenburg. Seit Ende 2025 haben Gies, Prof. Dr. Michael Sentef und Prof. Dr. Lucio Colombi Ciacchi, beide aus Bremen, Prof. Dr. Dante Kennes von der RWTH Aachen und Prof. Dr. Angel Rubio vom Max-Plack-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg einen sogenannten „Knoten“ innerhalb des internationalen Forschungsverbunds Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire (CECAM) gegründet. Dieser neue CECAM-Knoten „Quantum Material Dynamics“ (QMDYN) ist einer von vier deutschen und insgesamt 21 thematischen Knoten des Netzwerks. Die Beteiligten organisieren für ihre jeweiligen Schwerpunkte Workshops, Tutorien, Sommerschulen und weitere Austauschformate, fördern die Vernetzung und Weiterentwicklung der Community und initiieren gemeinsame Forschungsprojekte.
Schwerpunkt sind Computersimulationen von quantenphysikalischen Phänomenen
„Unser Ziel ist es, eine Gemeinschaft aufzubauen, um die Forschung in unserem Bereich voranzubringen“, erklärt Gies. „Schwerpunkt sind Computersimulationen von quantenphysikalischen Phänomenen in Festkörpern, die extrem schnell ablaufen oder bei denen die beteiligten Teilchen sehr stark miteinander wechselwirken. Hier setzen wir auch auf neue Methoden wie quantenmaschinelles Lernen oder den Einsatz von Quantencomputern.“
„In unserem Knoten geht es inhaltlich darum, die dynamische Welt der Quantenmaterialien besser zu verstehen und rechnerisch zugänglich zu machen“, erklärt der Bremer Physiker Michael Sentef, der die Aktivitäten als Direktor koordiniert. Die Forschenden wollen etwa simulieren, wie Materialien auf extrem starke Laserfelder reagieren oder wie sich besondere Teilchen, die sowohl Eigenschaften von Licht als auch von Materie haben, erzeugen lassen.
Die Organisation CECAM wird von verschiedenen nationalen Forschungsfördereinrichtungen getragen und hat ihren Sitz in Lausanne in der Schweiz. Seit 1969 setzt sich das Netzwerk dafür ein, leistungsfähige Computermethoden zu entwickeln, um die Physik und Chemie von Festkörpern zu erforschen. Dank großer Fortschritte in IT-Hardware und Software erstrecken sich die Interessen der Beteiligten inzwischen weit über Atome und Moleküle hinaus, sie reichen bis hin zu kniffligen Problemen der Materialwissenschaften, Biologie oder medizinischen Chemie.
Ausbau von internationalen Aktivitäten
Ein erster, hochkarätig besetzter Workshop des QMDYN-Knotens fand im Februar im Haus der Wissenschaft in Bremen statt. Prof. Dr. Michal Kucera, Konrektor der Universität Bremen, begrüßte die Teilnehmenden und bestärkte sie darin, die internationalen Aktivitäten des Netzwerks weiter auszubauen. Für Christopher Gies war das Treffen nicht nur inhaltlich hochinteressant, sondern bot auch die perfekte Gelegenheit zur Vernetzung: „Für uns Forschende aus Oldenburg und Bremen war der Workshop eine großartige Gelegenheit, um zusammenzukommen und gemeinsame Ideen und Perspektiven zu entwickeln.“