Der Europäische Forschungsrat unterstützt die Forschung von Prof. Tilman Pfau mit einem ERC Advanced Grant für seinen neuen Ansatz zum Verständnis fermionischer Materie mit langreichweitigen Wechselwirkungen unter Verwendung innovativer Quantengasmikroskopie-Methoden. Die ERC Advanced Grants sind hoch angesehene Förderpreise, die an etablierte, führende Wissenschaftler*innen vergeben werden, die in den letzten zehn Jahren bahnbrechende Forschungsleistungen erbracht haben.
Tilman Pfau ist Leiter des 5. Physikalischen Instituts an der Universität Stuttgart und Direktor des von den Universitäten Stuttgart und Ulm gemeinsam betriebenen Center für Integrierte Quantenwissenschaft und -technologie (IQST). Seine herausragende Forschung wurde bereits 2010 mit einem ersten ERC Advanced Grant ausgezeichnet. „Ich freue mich, dass die Arbeit der gesamten Gruppe mit dieser Förderung belohnt worden ist, und ich erwarte aufregende Forschungsergebnisse zum Verhalten stark wechselwirkender Fermionen, die wir einzeln beobachten können.“ Ziel von Prof. Tilman Pfau ist ein tiefgreifendes mikroskopisches Verständnis der zugrunde liegenden Physik stark korrelierter fermionischer Quantenmaterie, deren Wechselwirkungen sich über Distanzen erstrecken, die nur mit neuen Mikroskopiemethoden aufgelöst werden können.
Stark wechselwirkende Fermi-Gase kommen in der Natur in Bereichen vom kleinsten bis zum größten Maßstab vor - von Atomkernen bis zu Weißen Zwergen und Neutronensternen. Allerdings war es schon immer schwer, sie zu modellieren und theoretisch zu verstehen. Prof. Pfau und sein Expertenteam werden diese anspruchsvollen Probleme der Grundlagenphysik experimentell angehen. Dazu verwenden sie zwei innovative Quantengasmikroskopie-Methoden, die sich für den Nachweis starker dipolarer Quantenkorrelationen in Gittern und Doppelschichten sowie fermionischer Korrelationen um Verunreinigungen und Ladungen eignen.
Die erste Methode basiert auf der nichtlinearen optischen Mikroskopie zur Untersuchung dipolarer Fermionen auf Gittern und Doppelschichten. Die zweite Technik ist ein neu entwickeltes und erprobtes gepulstes Ionenmikroskop mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Der gepulste Betrieb ermöglicht die kontrollierte Beobachtung des Transports von geladenen Polaronen in einem Fermi-Gas. Dieses neuartige Quantengasmikroskop kann die Dynamik von der Zweikörper-Kollisionszeitskala bis zur kollektiven Vielkörper-Zeitskala auflösen. Diese hochgradig kontrollierbaren atomaren Modellsysteme sind vielversprechend für die Forschung an ähnlichen Fermi-Systemen in den Materialwissenschaften, der Kernphysik und der Astrophysik.