Fachbereich Physik


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19. Dezember 2017 : Fachbereich Physik federführend in neuer Forschergruppe

Heißer Kaffee kühlt in der Tasse zügig ab, das lässt sich im Alltag leicht beobachten. In der modernen Physik spielt das Phänomen der Thermalisierung und damit die Frage, ob und auf welche Weise ein physikalisches System ins Gleichgewicht kommt, allerdings eine komplexe Schlüsselrolle. Unter der Leitung von Juniorprofessor Dr. Robin Steinigeweg der Universität Osnabrück wird sich damit jetzt eine neue Forschergruppe befassen, bewilligt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Mitbeteiligt sind die Universitäten Bielefeld und Oldenburg sowie das Forschungszentrum Jülich.

Die Frage, ob und auf welche Weise ein System gegen ein stationäres Langzeitverhalten relaxiert, spielt eine Schlüsselrolle auf vielen Gebieten der modernen Vielteilchenphysik. Einerseits wurden solche Probleme schon seit langer Zeit immer wieder untersucht, andererseits hat gerade in den letzten Jahren das Interesse daran wieder stark zugenommen, insbesondere im Zusammenhang mit der Entdeckung neuartiger Materialien und Zustände wie z.B. kalter Atomgase, topologischer Isolatoren oder Lokalisierungseffekte in Vielteilchensystemen. Insbesondere wurden auch im grundlegenden theoretischen Verständnis von Relaxation und Thermalisierung große Fortschritte erzielt, unter anderem Dank maßgeschneiderter neuer Konzepte wie etwa die Eigenzustandsthermalisierung und die Typikalität reiner Quantenzustände, aber auch Dank der Entwicklung leistungsfähiger numerischer Methoden. Viel weniger ist allerdings bisher bekannt über den Weg ins Gleichgewicht an sich, und die strenge Herleitung des makroskopischen Relaxationsverhaltens aus mikroskopischen Grundprinzipien stellt daher nach wie vor eine der großen Herausforderungen in der Theorie dar.

Das Ziel der Forschergruppe ist es, diese theoretischen Herausforderungen im Bezug auf die mikroskopischen Grundlagen der Relaxation anzugehen. Im Zentrum unserer Untersuchungen steht das Verhalten komplexer Systeme unter generischen Nichtgleichgewichtsbedingungen, die durch Anfangszustände fern vom Gleichgewicht oder durch starke äußere Antriebskräfte induziert werden. Insbesondere soll die Rolle spezieller Anfangszustände in isolierten und offenen Systemen mit expliziter Badankopplung geklärt werden. Unsere Schlüsselfragen umfassen die Begründung konventioneller exponentieller Relaxation, phänomenologischer Transportgesetzte und des Gibbsschen Gleichgewichts sowie die Formulierung von Fluktuationstheoremen über verrichtete Arbeit. Obwohl unsere Forschergruppe sich auf die Klärung dieser theoretischen Grundfragen fokussiert, sind die betrachteten Modelle auch eng verknüpft mit realen Materialien, wie z.B. magnetische Moleküle, niederdimensionale Quantenmagnete oder topologische Systeme mit flachen Bändern. Angesichts der Komplexität solcher Modelle kann das Zusammenwirken der an den verschiedenen beteiligten Standorten entwickelten analytischen und numerischen Kompetenzen als eine besondere Stärke unseres Verbundprojekts betrachtet werden.

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