Man kann nicht immer perfekte Lösungen finden. Viele physikalische Fragen sind so kompliziert, dass es völlig aussichtlos ist, nach einem absolut korrekten Ergebnis zu suchen. Ganz besonders häufig trifft das in der Materialforschung zu: Will man die Eigenschaften neuer Materialien mit quantenphysikalischen Formeln berechnen, stößt man rasch an die Grenzen des Möglichen. Dann braucht man ausgeklügelte Näherungsmethoden, um der Wahrheit zumindest möglichst nahe zu kommen.

An solchen Methoden forscht Prof. Andreas Grüneis mit seinem Team am Institut für Theoretische Physik der TU Wien. Nun wurde er mit einem ERC Consolidator Grant ausgezeichnet, dotiert mit 2 Millionen Euro – einer der höchstdotierten und prestigeträchtigsten Förderungen der europäischen Forschungslandschaft. Für Andreas Grüneis ist es bereits der zweite ERC-Grant: Schon 2016 erhielt er einen ERC Starting Grant, damals noch als Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart.

Zwischen klein und groß

Das wirklich Komplizierte ist das Mittelgroße: Man weiß heute sehr genau, wie man das Verhalten eines Systems berechnet, das nur aus ein oder zwei Teilchen besteht – die Quantentheorie liefert hier exzellente Ergebnisse. Man weiß auch, wie man das Verhalten eines Systems berechnet, das aus Trillionen Teilchen besteht – da kann man Details oft getrost ignorieren und exakte Durchschnittswerte berechnen.

Aber was ist, wenn man sich dazwischen befindet? Wenn man Effekte erklären will, an denen zehn, hundert, oder vielleicht tausend Teilchen beteiligt sind? Für diesen Bereich hat man bis heute keine perfekten Methoden. Die Formeln der Quantentheorie, etwa die berühmte Schrödingergleichung, werden in diesem Fall derart kompliziert, dass selbst die größten Supercomputer der Welt keine Lösung mehr finden können. Gleichzeitig ist man aber noch nicht in einem Bereich angelangt, in dem man die Besonderheiten der Quantentheorie vernachlässigen kann.

Genau in diesem Spannungsfeld bewegt man sich oft, wenn man chemische oder physikalische Eigenschaften von Materialien berechnen möchte. Solche Eigenschaften werden vom quantenphysikalischen Zusammenspiel vieler Teilchen bestimmt, für das man Näherungslösungen finden muss.

„Es gibt in diesem Bereich verschiedene nützliche Ansätze“, sagt Prof. Andreas Grüneis. „Etwa die Dichtefunktionaltheorie, bei der man die komplizierte Schrödingergleichung durch eine viel einfachere Gleichung ersetzt.“ Freilich erkauft man sich solche Vereinfachungen immer durch geringere Genauigkeit und den Verzicht auf Allgemeingültigkeit – für manchen Fragen findet man mit solchen Methoden sehr gute Antworten, für andere hingegen sind sie nicht geeignet.

Kristalle und Planeten

„Wir bauen auf bestehenden Methoden auf, verknüpfen sie und entwickeln dadurch neue Rechenverfahren, mit denen man dann wichtige Fragen aus der Materialforschung beantworten kann“, erklärt Andreas Grüneis. Dabei geht es etwa um die Frage, wie bestimmte Materialien Licht absorbieren oder welche Schwingungen sich in den Materialien ergeben. Im ERC-Projekt wird Andreas Grüneis mit seinem Team etwa die elektronischen Eigenschaften von Kristallen untersuchen, in die man einzelne Thorium-Atome einbaut. Damit könnte man möglicherweise Uhren bauen, mit denen man die Genauigkeit heutiger Atomuhren in den Schatten stellen könnte.

Auch auf sogenannte 2D-Materialien sollen die neuen Methoden angewandt werden – also auf Materialien, die aus atomar dünnen Schichten bestehen, und deshalb ganz spezielle Materialeigenschaften aufweisen. Und sogar in die Physik fremder Planeten soll ein neuer Einblick gewonnen werden: Bei extrem hohem Druck, etwa im Zentrum des Planeten Jupiter, kann Wasserstoff metallische Eigenschaften annehmen. Wie und wann das genau passiert, gilt seit Jahrzehnten als ungelöste Frage. Mit neuen Rechenmethoden soll sie sich beantworten lassen.

Wien, Cambridge, Stuttgart, Wien

Andreas Grüneis studierte an der Universität Wien Physik, wo er 2011 bei Prof. Georg Kresse auch promovierte. Schon damals beschäftigte er sich mit numerischer Vielteilchen-Quantenphysik. Als Postdoc ging er daraufhin nach Cambridge, wo er auch an der „Coupled Cluster Methode“ arbeitete, die bis heute ein wichtiger Teil seiner Forschungsarbeit ist. Mit einem Stipendium der Österreichischen Akademie der Wissenschaften kehrte er dann nach Wien zurück, 2015 wurde er Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart. Im Jahr 2016 wurde er mit einem ERC Starting Grant des European Research Council ausgezeichnet. Seit Juli 2017 ist er als Professor an der TU Wien tätig.

Rückfragehinweis

Prof. Andreas Grüneis
Institut für Theoretische Physik
Technische Universität Wien
+43 158801 13662
andreas.grueneis@tuwien.ac.at
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Aussender:
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Resselgasse 3, 1040 Wien
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