Source approach to quantum systems in atomic and mesoscopic physics

• Applicant: Professor Dr. Tobias Kramer
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2007 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 51258247

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

In der zweiten Halfte des fünfjahrigen Forschungsprogrammes der Emmy-Noether Gruppe zur Quantendynamik in wechselwirkenden Systemen haben wir uns zum einem mit elektrischen Wechselwirkungseffekten in elektronischen Systemen befasst, zum anderen mit dem Energietransfer in der Fotosynthese. Die computergestutzte Physik befindet sich weiterhin in einer radikalen Umbauphase, da die bisherigen CPU basierten Rechnersysteme von parallelen Multikern Prozessoren abgelöst werden, die u.a. in Grafikkarten verbaut sind (GPU). Vorhandene Algorithmen und Programme sind aber nur bedingt auf die neuen Architekturen portierbar und daher ist eine grundsätzlich neue Herangehensweise an theoretische Modellierungsfragen nötig. Die Arbeitsgruppe hat dazu für wechselwirkende Elektronensystem alternative Berechnungsmethoden entwickelt, welche anstelle von speicherintensiven Matrixdiagonalisierungen quantenmechanische Eigenschaften von Elektronensytemen auf klassische Plasmen abbilden. Diese Plasmen werden dann effizient mit GPUs simuliert. Ein zweiter Schwerpunkt war die Betrachtung von quantenmechanischen Effekten im Energietransport von fotosynthetischen Komplexen. Hierzu gab es ab 2007 eine Reihe von neuen experimentellen Methoden, wo mittels zeitversetzter Laserpulse der Anregungstransfer im Detail nachverfolgt werden kann. Hierbei wurden Hinweise auf eine kohärente Dynamik gefunden, welche überraschenderweise eine quantenmechanische Beschreibung des Transports in biologischen Komplexen bei Raumtemperatur erfordern. Übliche Näherungsmethoden sind in diesem Bereich nicht anwendbar und unsere Arbeitsgruppe hat daher GPU basierte Algorithmen entwickelt, mit welchen wir einen direkten Vergleich von Theorie und experimentellen Daten vornehmen konnten. Insbesondere untersuchten wir, wie die Verteilung der thermisch angeregten Schwingungsfrequenzen den Energietransfer beeinflusst und unter welchen Bedingungen eine effizienter und kohärenter Transport ermöglicht wird. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen u.a. zur Entwicklung von effizienteren Solarzellen basierend auf organischen Materialien und zur Grundlagenforschung in numerischen Methoden auf Vielkernprozessoren, die zur Modellierung komplexer Systeme erforderlich sind. Unter http://www.quantumdynamics.de findet sich ein Verweis auf unser Forschungsblog. Das GPU Programm zur Berechnung des Energietransfers in the Fotosynthese ist als cloud-computing tool auf https://nanoHUB.org/resources/gpuheompop öffentlich aufrufbar.

Publications

• Comment on “Screening model of metallic nonideal contacts in the integer quantized Hall regime”. Phys. Rev. B, 84:197301, 2011
  T. Kramer, V. Krueckl, E. J. Heller, and R. E. Parrott
  
• Fluctuations in the spectra of open few-body systems. New Journal of Physics, 13:063033, 2011
  J. Eiglsperger, T. Kramer, and J. Madronero
  
• High-performance solution of hierarchical equations of motions for studying energy-transfer in light-harvesting complexes. Journal of Chemical Theory and Computation, 7:2166–2174, 2011
  C. Kreisbeck, T. Kramer, M. Rodriguez, and B. Hein
  
• Spectra of harmonium in a magnetic field using an initial value representation of the semiclassical propagator. J. Phys. A, 44:445309, 2011
  F. Grossmann and T. Kramer
  
• Time dependent approach to transport and scattering in atomic and mesoscopic systems. AIP Conference Proceedings, 1334:142, 2011. Lecture notes from the Latin-American School of Physics XL ELAF
  T. Kramer
  
• Interacting electrons in a magnetic field: mapping quantum mechanics to a classical ersatz-system. In R. Bijker, editor, Beauty in physics: theory and experiment. In honor of Francesco Iachello., volume 1488, page 394. AIP Conference Proceedings, 2012
  T. Kramer
  
• Long-lived electronic coherence in dissipative excitondynamics of light-harvesting complexes. J. Phys. Chem. Lett., 3:2828, 2012
  C. Kreisbeck and T. Kramer
  (See online at https://doi.org/10.1021/jz3012029)
• Modelling of oscillations in two-dimensional echo-spectra of the Fenna-Matthews-Olson complex. New Journal of Physics, 14:023018, 2012
  B. Hein, C. Kreisbeck, T. Kramer, and M. Rodriguez
  (See online at https://doi.org/10.1088/1367-2630/14/2/023018)
• Quantum transport through complex networks - from light-harvesting proteins to semiconductor devices. PhD thesis, Universitat Regensburg, 2012
  C. Kreisbeck
  
• Exciton dynamics lab for light-harvesting complexes (GPU-HEOM), Feb 2013
  C. Kreisbeck and T. Kramer
  (See online at https://doi.org/10.4231/D3RF5KH7G)