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Dynamische Lokalisierung ist ein subtiler Mechanismus in Quantensystemen, der es komplexen, ungeordneten Systemen erlaubt, beliebig lange ausserhalb des thermodynamischen Gleichgewichts zu bleiben, auch wenn das System sehr viele Freiheitsgrade enthält. Dies läuft der Ergodenhypothese entgegen, nach der grosse Systeme immer sehr rasch zum recht formlosen Gleichgewicht tendieren. Lokalisierung ermöglicht es, einen Teil der in einem Zustand enthaltenen Information beizubehalten und weiterzuverarbeiten, ohne deren Quantenkohärenz zu zerstören, was für Anwendungen interessant ist. Bisher gibt es noch wenige experimentelle Resultate, die dieses Phänomen demonstrieren und für interessante Effekte ausnutzen. Diese Lücke schliesst das Projekt am Beispiel von Quantenmagneten.

Lay summary

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Dynamische Lokalisierung ist ein subtiler Mechanismus in Quantensystemen, der es komplexen, ungeordneten Systemen erlaubt, beliebig lange ausserhalb des thermodynamischen Gleichgewichts zu bleiben, auch wenn das System sehr viele Freiheitsgrade enthält. Dies läuft der Ergodenhypothese entgegen, nach der grosse Systeme immer sehr rasch zum recht formlosen Gleichgewicht tendieren.  Lokalisierung ermöglicht es, einen Teil der in einem Zustand enthaltenen Information beizubehalten und weiterzuverarbeiten, ohne deren Quantenkohärenz zu zerstören, was für Anwendungen wichtig ist. Bisher gibt es noch wenige experimentelle Resultate, die dieses Phänomen demonstrieren und für interessante Effekte ausnutzen. Diese Lücke schliesst das Projekt am Beispiel von Quantenmagneten.

Inhalt und Ziele des Forschungsprojekts

Hier soll die Lücke zwischen theoretischen Vorhersagen einerseits und Experimenten andererseits geschlossen werden. Speziell werden lokalisierende Quantenmagneten studiert, wobei Experimente an gut charakterisierten magnetischen Materialien Hand in Hand gehen mit theoretischen Untersuchungen. Insbesondere sollen Signaturen der Lokalisierung, z.B. das spektrale Löcherbrennen, untersucht und mit theoretischen Rechnungen und Modellen verglichen werden. Dies ist uns mit zwei verschiedenen Litium-fluoriden, die magnetische seltene Erden (Holmium oder Terbium) enthalten. Durch unsere theoretische und experimentelle Forschung haben verstanden, wie deren Kern- und Elektronenspins zusammenwirken und unter welchen Bedingungen sie quantenmechanisch gut geschützte Objekte abgeben. Die lange Kohärenz solcher Objekte haben wir dann dazuausgenutzt um dynamische Lokalisierung anderer magnetischer Bestandteile zu charakterisieren.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Das Projekt befasst sich mit Grundlagenforschung im Gebiet der Quantenkohärenz in Festkörpern. Es leistet einen Beitrag zum Verständnis, wie die Quantenphysik von vielen Freiheitsgraden studiert, ausgenutzt und verarbeitet werden kann. Dies ist sowohl für zukünftige quantentechnologische Anwendungen relevant als auch für verschiedene Aspekte im festkörperbasierten Quantencomputing.