Nichtgleichgewichtsenergietransport in Nanostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Nalbach
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253320334

Mit der fortschreitenden Miniaturisierung elektronischer Bauteile drängen sich zwei neue Herausforderungen in den Vordergrund. Zum einen werden Quanteneffekte relevant und müssen im Design der Nanoschaltkreise berücksichtigt werden. Zum zweiten muss überschüssige Energie aufgrund unvermeidlicher Ohmscher Verluste aktiv aus den Nanoschaltkreisen heraus transportiert werden, da passive Wärmeableitung auf der Nanoskala nicht möglich ist. Aktive Steuerung von Nichtgleichgewichtsströmen durch Nanostrukturen ist weitgehend unerforscht, da adäquate theoretische Methoden fehlen. Gleichzeitig ist quantenmechanischer Energietransfer von fundamentaler Bedeutung in der Photosynthese, die Leben auf der Erde erst ermöglicht. Photosynthese beginnt mit der Absorption von Licht in einem biomolekularen Antennenkomplex. Dabei entsteht ein Exziton, welches dann von der Antenne zu einem Reaktionscenter transportiert wird. Dort wird mittels Ladungstrennung die Energie dann in chemischer Form gespeichert. Eine der großen Fragen ist wie die Natur eine fast 100 %-ige Effizienz beim Quantentransport zum Reaktionszentrum erreicht. Es gibt Hinweise, dass langlebige Quantenkohärenz hierbei unterstützt. Lange Lebensdauern der Kohärenz resultieren von Korrelationen in den Umgebungsfluktuationen. Eine vollständige Analyse aller Korrelationseffekte fehlt, da verschiedene Fluktuationen mittels nicht kommutierenden Operatoren an das Exziton koppeln. Dies führt zu starken Korrelationseffekten, zu deren Behandlung uns adäquate theoretische Methoden fehlen.Unser Ziel ist die Entwicklung einer numerischen Methode, um quantenmechanischen Nichtgleichgewichtsenergietransport durch molekulare Strukturen und Nanoschaltkreise zu untersuchen. Die Methode erlaubt die Beschreibung getriebener Systeme im Kontakt mit mehreren bosonischen Energiereservoire auf unterschiedlichen Temperaturen, mit beliebigen Spektren, die mittels nicht kommutierenden Operatoren an das System koppeln. Hierzu erweitern wir die quasi adiabatischen Pfadintegralmethode, was uns erlaubt, mittels eines iterativen Algorithmus Messgrößen wie Energiestrom numerisch exakt zu berechnen. Mit unserer neuen Methode werden wir den Einfluss aller Korrelationseffekte der Umgebungsfluktuationen, insbesondere auf die Lebensdauern von Quantenkohärenz und auf die Effizienz des Energietransports, im photosynthetischen Energietransports aufdecken können. Zusätzlich werden wir Verfahren entwickeln, um Energietransport aktiv und effizient zu kontrollieren. Dies erlaubt das Abführen von überschüssiger Energie aufgrund unvermeidlicher Ohmscher Verluste in und damit den Betrieb von elektronischen Nanobauteilen. Hierzu untersuchen wir das dissipative Landau-Zener Problem im Nichtgleichgewicht und Quantenkontrolle von Energietransport. Zusammenfassend ermöglicht unsere Methode quantenmechanischen Energietransport zu studieren, zu verstehen, zu optimieren und aktiv sowohl in natürlichen als auch künstlichen Nanostrukturen zu kontrollieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen