Quantensysteme im Nichtgleichgewicht

In praktisch allen ungeordneten Festkörpern - in Gläsern, aber auch in Kristallen mit bestimmten Punktdefekten - treten Umlagerungen von Atomen durch quantenmechanische Tunnelprozesse auf. Derartige Tunnelsysteme haben einen drastischen Einfluss auf das makroskopische Verhalten dieser Substanzen bei tiefen Temperaturen. Im Rahmen mehrerer Teilprojekte werden die vielfältigen Eigenschaften von tunnelnden Atomen in verschiedenen Modellsystemen studiert. Das Spektrum der Forschungsaktivitäten reicht dabei von der Untersuchung der mikroskopischen Natur und der Dynamik einzelner Tunnelsysteme bis zu komplexen kollektiven Phänomenen, die aufgrund der gegenseitigen Wechselwirkung auftreten.

Phasenkohärenz und Energierelaxation von Tunnelsystemen

Phasenkohärenz und die Energierelaxation von Tunnelsystemen in isolierenden amorphen Festkörpern werden mit Hilfe von Polarisationechoexperimenten untersucht. Die Ergebnisse solcher Messungen erlauben insbesondere Rückschlüsse auf die Verteilungsfunktion der atomaren Tunnelsysteme und die Kopplung an thermische Phononen. Bei ultratiefen Temperaturen wird die Wechselwirkung zwischen Tunnelsystemen und daraus resultierende kollektive Tunnelprozesse studiert.

Metallische Gläser bei ultratiefen Temperaturen

Atomare Tunnelsysteme in metallischen Gläsern wechselwirken mit Phononen und Leitungselektronen, wobei sich letzere Wechselwirkung bei supraleitenden metallischen Gläsern mit Hilfe von Magnetfelder ein und ausschalten läßt. Auf diese Weise können die Renormalisierung der Zustandsdichte und Relaxationsprozesse aufgrund der Wechselwirkung mit Leitungselektronen gezielt untersucht werden.

Einfluß von Kernmomenten auf atomare Tunnelsysteme

Gläser zeigen bei ultratiefen Temperaturen eine überraschende Magnetfeldabhängigkeit ihrer dielektrischen Eigenschaften. Diese rührt von Tunnelsystemen mit Kernmomenten und kann genutzt werden um Information über die bislang weitgehend unbekannte mikroskopische Natur von atomaren Tunnelsystemen in amorphen Festkörpern zu gewinnen. Es werden Messungen des magnetischen Fingerabdrucks von Modellgläsern bei ultratiefen Temperaturen durchgeführt und mit numerischen Rechnung verglichen.

Rauschen als Meßgröße

Das thermische Rauschen limitiert einerseits die Präzision von Messungen, kann aber andererseits auch als interessantes Signal genutzt werden. Messungen des dielektrische Rauschen am Glasübergang erlauben besondere Einblicke in die Dynamik der Struktureinheiten amorpher Festkörper im Nichtgleichgewicht. Außerdem wird das thermisch getriebene Stromrauschen in metallischen Leitern zur Entwicklung von neuartigen Thermometern für ultratiefe Temperaturen genutzt.

 
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