Dispersionskräfte jenseits des Quantenvakuums: von Quantenpräzision zu Quantenkontrolle in der Nanotechnologie

Dispersionskräfte zwischen polarisierbaren Objekten sind eine der erstaunlichen Konsequenzen der Quantenfluktuationen des elektromagnetischen Felds. Durch die fortschreitende Miniaturisierung mechanischer Systeme und aktuelle Bemühungen zur integrierten kohärenten Kontrolle von atomaren Ensembles nahe Oberflächen hat Ihre Bedeutung in der Nanotechnologie jüngst stark zugenommen. Von theoretischer Seite zeigt sich, dass diese Kräfte nur schwer manipulierbar sind und selbst exakte Vorhersagen nur mit erheblichen Anstrengungen erreicht werden können. Simulationen realistischer Konfigurationen beruhen oft auf groben Näherungen oder langsam konvergierenden numerischen Verfahren. Abstoßende Casimir-Kräfte im Freiraum konnten bis heute nicht experimentell nachgewiesen werden. Neuere Hochpräzisionsmessungen deuten zudem darauf hin, dass die Standard-Lifshitz-Beschreibung einer genaueren Überprüfung nicht standhält. Ich möchte mit meinem Projekt diese Herausforderungen annehmen und überwinden, indem ich eine moderne Alternative zur Lifshitz-Theorie entwickele, welche die Perspektive auf das Quantenphänomen Dispersionskraft radikal erweitert. Die avisierte neue und umfassende Theorie der Dispersionskräfte soll I. auf ein solides mikroskopisches Fundament gründen, welches die Lifshitz-Theorie ersetzt, II. den Einfluss komplexer Geometrien und neuartiger Materialien aufzeigen, III. die Dispersionsenergie kontinuierlicher Medien und kompakter Körper berücksichtigen, IV. den Einfluss nichttrivialer Atom- und Feldzustände ausleuchten und V. Quanteneffekte in Folge bewegter Körper und Flüssigkeiten beschreiben können. Dieses vielschichtige Projekt wird Wissen und Methoden verschiedenster Fachgebiete von der Quantenelektrodynamik und Elektrotechnik über Metamaterialien und Quantenzustands-Präparation bis hin zur Magnetohydrodynamik zu einem kohärenten Ganzen vereinen. Es wird fundamentale offene Fragen zu Dispersionskräften beantworten, weitreichende Anwendungen in den Gebieten der Nanomechanik und der kohärenten Kontolle von Atomen haben und neue Impulse in den Bereichen Quantenfeldtheorie, Design von Metamaterialien und Präzisions-Kraft-Messung geben.

Weitere Informationen: http://gepris.dfg.de/gepris/projekt/239028562
Ansprechpartner: Dr. Stefan Yoshi Buhmann
Tel: +49-761-203-5946
Email: stefan.buhmann@physik.uni-freiburg.de

Projektbeginn: 01.02.2014
Projektende: 31.01.2018

Dr. Stefan Yoshi Buhmann

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Physikalisches Institut
Emmy-Noether-Gruppe - Macroscopic quantum electrodynamics
Hermann-Herder-Str. 3
79104 Freiburg

Telefon: +49-761-203 5946
Fax: +49-761-203 5967
Email: stefan.buhmann@physik.uni-freiburg.de
http://www.omnibus.uni-freiburg.de/~sb1082/

• Dr. Stefan Yoshi Buhmann
• Dr. Robert Bennett
• Juliane Klatt
• Pablo Barcellona

• F. Intravaia, V. E. Mkrtchian, S. Y. Buhmann, S. Scheel, D. A. R. Dalvit, C. Henkel: Friction forces on atoms after acceleration J. Phys. Cond. Mat., 2015; 27 (21): 214020. : http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-8984/27/21/214020/meta (download: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-8984/27/21/214020/pdf)
• K. A. Milton, E. K. Abalo, P. Parashar, N. Pourtolami, I. Brevik, S. Å. Ellingsen, S. Y. Buhmann, S. Scheel: Three-body effects in Casimir-Polder repulsion Phys. Rev. A, 2015; 91 (4): 042510 . : http://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.91.042510 (download: http://journals.aps.org/pra/pdf/10.1103/PhysRevA.91.042510)
• M. Boström, P. Thiyam, C. Persson, F. Parsons, S. Y. Buhmann, I. Brevik, B. E. Sernelius: Non-perturbative theory of dispersion interactions Phys. Scripta, 2015; 90 (3): 035405. : http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-8949/90/3/035405/pdf
• P. Thiyam, C. Persson, F. Parsons, D. Huang, S. Y. Buhmann, M. Boström: Trends of CO2 adsorption on cellulose due to van der Waals forces Coll. Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects, 2015; 470: 316. : http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092777571400973X (download: http://ac.els-cdn.com/S092777571400973X/1-s2.0-S092777571400973X-main.pdf?_tid=8f677892-96d4-11e6-b717-00000aacb361&acdnat=1476975216_76339c345399070f3a9a4993ad969817)
• S. Ribeiro, S. Y. Buhmann, T. Stielow, S. Scheel: Casimir-Polder interaction from exact diagonalization and surface-induced state mixing Europhys. Lett., 2015; 110 (5): 51003. : http://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/110/51003 (download: http://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/110/51003/pdf)
• S. Y. Buhmann: Normal-mode quantum electrodynamics: the quantum vacuum and its consequences In: W. Simpson and U. Leonhardt (Hrsg.): Forces of the Quantum Vacuum: An introduction to Casimir Physics London: World Scientific Press, 2015; 7-59.: http://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/9383
• W. Simpson, U. Leonhardt, R. Decca, S. Y. Buhmann: Casimir forces at the cutting edge In: W. Simpson and U. Leonhardt (Hrsg.): Forces of the Quantum Vacuum: An introduction to Casimir Physics London: World Scientific Press, 2015; 227-249.: http://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/9383
• B. W. Ninham, M. Boström, C. Persson, I. Brevik, S. Y. Buhmann, B. E. Sernelius: Casimir forces in a plasma: possible connections to Yukawa potentials Eur. Phys. J. D, 2014; 68 (10): 328. : http://link.springer.com/article/10.1140%2Fepjd%2Fe2014-50484-8 (download: http://download.springer.com/static/pdf/745/art%253A10.1140%252Fepjd%252Fe2014-50484-8.pdf?originUrl=http%3A%2F%2Flink.springer.com%2Farticle%2F10.1140%2Fepjd%2Fe2014-50484-8&token2=exp=1476964908~acl)