Profile der Young Science-Botschafterinnen und -Botschafter

Dr. Robert E. Zillich

  • 4 Besuche pro Jahr
  • Regionen: Oberösterreich
  • Keine anfallenden Kosten für die Schule

Forschungsschwerpunkte

  • Quantenvielteilchenphysik
  • Physik der kondensierten Materie
  • Monte-Carlo-Simulationen

Aktuelle Projekte

Quantengase: Physik bei ultratiefen Temperaturen:

1995 ist experimentell geglückt (und 2001 mit dem Nobelpreis belohnt worden), was Einstein und Bose 1925 theoretisch vorhergesagt hatten: ein Gas mit der geeigneten Quantenstatistik (Bosonen) nimmt bei tiefer Temperatur einen neuen Aggregatzustand ein, später Bose-Einstein-Kondensat genannt. Was sind Bosonen? Alle elementaren Teilchen, aber auch aus Elementarteilchen zusammengebaute Einheiten wie Atome, folgen entweder der Bosestatistik oder der Fermistatistik, mit reichweitigen Folgen. Z.B. gehorchen Elektronen zum Glück der Fermistatistik, sonst wäre Materie nicht stabil. Diese Statistik ist ein inhärenter Quanteneffekt.

In unserer Arbeitsgruppe interessiert uns besonders der Effekt der Wechselwirkung der Atome eines Quantengases. Dass Wechselwirkungen die theoretische Beschreibung komplizierter machen, zeigt eine kombinatorische Betrachtung: aus N Atomen kann man N(N-1)/2 Paare bilden, die miteinander wechselwirken können, die Zahl der Wechselwirkungen steigt also viel schneller als die Zahl der Atome. Quantengase lassen sich experimentell vielseitig manipulieren und werden gern als „Simulator“ eines analogen Systems verwendet. Wir untersuchen, wie Wechselwirkung die Anregungen des Quantengases beeinflussen, oder wie durch Feinjustieren der Wechselwirkung ein „flüssiges“ Gas entsteht, oder welche neue Eigenschaften auftauchen, wenn ein Quantengas sehr weit aus dem Gleichgewicht gebracht wird.

Elektronen: Woraus die Welt gemacht ist:

Die Welt besteht zwar aus verschiedenen Elementarteilchen (25 Sorten nach aktuellem Wissensstand), aber in der Praxis spielen Elektronen die wichtigste Rolle: die Eigenschaften aller Atome im Periodensystem (und somit die ganze Chemie) stammen von den Elektronenschalen, Elektronen tragen den elektrischen Strom, Elektronen machen den Himmel blau – und vollführen in der Netzhaut des Auges jene Quantensprünge, die uns den blauen Himmel sehen lassen. Daher verwundert es nicht, dass sich ein erheblicher Teil der Physik direkt oder indirekt mit Elektronen beschäftigt.

Wir beschäftigen uns mit Elektronen und deren Eigenschaften in Metallen, in Graphen (das ist 2-dimensionales Graphit), oder in magnetischen Materialien. Können wir die Festigkeit von Stahl besser vorhersagen durch eine mikroskopische, quantenmechanische Beschreibung? Kann Graphen herkömmliche Halbleiter ersetzen, um schnellere elektronische Bauteile herzustellen? Kann man vielleicht den Spin der Elektronen (also ihr intrinsisches magnetisches Moment) statt ihrer Ladung zur Informationsverarbeitung verwenden? In unserer Arbeit entwerfen wir keine konkreten Schaltungen oder Bauteile, sondern versuchen die Grundlagen zu verstehen, also das Fundament jeder möglichen praktischen Anwendung.

Simulationsphysik: Experimente im Computer:

Computer sind eine mächtige Erweiterung der traditionellen Werkzeuge (Papier, Bleistift, Gehirn) der theoretischen Physik. In der Simulationsphysik (computational physics) lässt man möglichst viel Arbeit von Hochleistungsrechnern mit oft hunderdtausenden CPUs erledigen. Wir benutzen stochastische Methoden, die sog. Monte-Carlo-Technik, um komplizierte quantenmechanische Probleme mit vielen Teilchen zu lösen. Solchen stochastische Simulationen können oft exakte Ergebnisse für komplizierte Probleme liefern, und zwar indem sie kurioserweise Milliarden von Zufallszahlen verwenden.

In diesem Projekt suchen wir Antworten auf: Wie reagiert ein Quantengas (siehe obiges Projekt) auf eine plötzliche Änderung der Wechselwirkung? Wie ändert sich das Spektrum eines Moleküls, wenn es in superfluidem Helium schwimmt? Aber auch Fragen der klassischen Physik interessieren uns: kann man hydrodynamische Phänomene wie Turbulenz oder Überschall-Expansion eines Gases mithilfe vom Simulationen der Molekulardynamik verstehen? Für Letzteres verwenden wir die weitverbreitete Open-Source-Software „lammps“, die jede/r zuhause selber ausprobieren kann.

Auszug aus dem wissenschaftlichen Werdegang

  • Längere wissenschaftliche Aufenthalte: Polytechnic University of Catalonia, Barcelona, Spain; Konkuk University, Seoul, Korea; University of Rennes, France; Kavli Institute of Theoretical Physics, Santa Barbara, California
  • Seit 2007 zurück an der Johannes Kepler Universität Linz
  • 2004-2006 Forscher am Fraunhofer Institut ITWM, Kaiserslautern, Deutschland
  • 2001-2004 Postdoc an der University of California, Berkeley, USA
  • 2001 Promotion an der Johannes Kepler Universität Linz

Weitere Informationen zur Vorbereitung von Schulen

www.jku.at/en/institute-for-theoretical-physics/about-us/team/robert-zillich

Porträt von Herr Dr. Robert Zillich

Organisation

Johannes Kepler Universität Linz

Position

Institut für Theoretische Physik

realer Besuch

  • Oberösterreich

Wissenschaftsbereich

  • NATURWISSENSCHAFTEN