Quantenelektrodynamik bei Kohlenstoffnanomaterialien

Nanotechnologie beruht auf der Nutzung der Materialien und Geräten mit sehr, sehr kleinen Abmessungen in der Größenordung von Atomen und Molekülen. Bei diesen Abmessungen erhalten viele Materialien außerordentlich einzigartige und exotische Eigenschaften im Vergleich zu den gleichen Materialien in größerer Form. Das Verhalten von Nanomaterialien kann mit der Quantenmechanik ganz anders als mit der klassischen Mechanik beschrieben werden.

Das EU-finanzierte Projekt QOCAN (Quantum optics of carbon nanostructures) führt vier wissenschaftliche Teams zusammen, um eine theoretische Grundlage für die Verwendung von Kohlenstoffnanostrukturen als Bauteile für neuartige optoelektronische Nanomaschinen zu schaffen. Kohlenstoffbasierte Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren (CNT) und Graphen haben faszinierende elektrische, optische und magnetische Eigenschaften, die großes Interesse geweckt haben. Wissenschaftler untersuchen die Wechselwirkungen von Kohlenstoffnanostrukturen und Quantenlicht, um Theorien der Quantenelektrodynamik (QED) und deren Auswirkungen auf diese Materialien zu entwickeln.

QED ist eine Quantentheorie der elektrodynamischen Kraft, also der Wechselwirkung von geladenen Teilchen mit einem elektromagnetischen Feld. Sie beschreibt mathematisch nicht nur alle Wechselwirkungen von Licht mit Materie, sondern auch diejenigen der geladenen Teilchen untereinander. Sie ist eine der erfolgreichsten physikalischen Theorien bisher.

Innerhalb der ersten Periode erreichte das Team gute Fortschritte an allen Fronten. Die Wissenschaftler entwickelten eine Theorie der QED von Graphen und seiner Elektronenzustände in einem quantisierten elektromagnetischen Feld. Ferner haben die Forscher die Theorie der elektronischen Eigenschaften von CNT in Gegenwart von Quantenlicht sowie vorgeschlagene Theorien hinsichtlich der Resonator-QED von CNT entwickelt. Die Resonator-QED beschreibt das Verhalten von Atomen und Photonen in einem sehr kleinen Hohlraum, ein nützliches experimentelles Modell, das ein Fenster auf die Quantenverhaltensweisen bietet, die ganz anders sind als im freien Raum.

Schließlich hat das Team bereits Theorien der Terahertz-Eigenschaften von CNT und Graphen formuliert. Der Terahertz-Bereich ist Gegenstand intensiver Forschungen und Entwicklungen, die zu neuartigen Geräten unter anderem für Bildgebung, Medizin, Biologie und Weltraumforschung führen sollen.

Die Konvergenz des Forschungsgebiets zu kondensierter Materie und des dazugehörigen Fachwissens zu Nanostrukturen mit dem Bereich der Quantenoptik, die sich traditionell mit atomaren und molekularen Systemen befasst, wird zu neuen Märkten für beide Bereiche führen.