Dr. Sebastian Paeckel entwickelt Verfahren zur präziseren Berechnung von Spektralfunktionen komplexer Quantensysteme an der LMU München; Überwindet Auflösungsgrenze, Einblicke in Hochtemperatur-Supraleitung Durchbruch bei der Simulation komplexer Quantensysteme - Neue Methode überwindet grundlegende Auflösungsgrenzen und gibt womöglich Einblicke in die Hochtemperatur-Supraleitung Durchbruch bei der Simulation komplexer Quantensysteme Neue Methode überwindet grundlegende Auflösungsgrenzen und gibt womöglich Einblicke in die Hochtemperatur-Supraleitung Der Physiker Dr. Sebastian Paeckel hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Spektralfunktionen komplexerQuantensystemedeutlich präziser berechnen lassen als zuvor. Sein Ansatz rekonstruiert präzise Energiespektren, ohne längere Berechnungen zu benötigen. Dadurch werden bislang verborgene Details sichtbar, wie Paeckel in der FachzeitschriftPhysical Review Lettersberichtet. Er forscht an der Fakultät für Physik der LMU und am Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST). Warum Spektralfunktionen so wichtig sind Der Hintergrund: Um zu verstehen, wie sich komplexe Materialien auf atomarer Ebene verhalten, berechnen Physikerinnen und Physiker sogenannte Spektralfunktionen. Sie zeigen, welche Energiezustände ein System annehmen kann und wie stark diese ausgeprägt sind. Solche Informationen lassen sich direkt mit Experimenten vergleichen, etwa mit Messungen durch Röntgen- oder Neutronenstreuung. Spektralfunktionen bilden also eine Brücke zwischen Theorie und Experiment. Ihre Berechnung ist jedoch schwierig. In Simulationen wird zunächst erfasst, wie sich ein Quantensystem mit der Zeit verändert. Anschließend rechnen Forschende diese Zeitinformation in ein Energiespektrum um. Genau dieser Schritt begrenzt bislang die Genauigkeit. Fourier-Transformation: Vom Zeitverlauf zum Energiespektrum Die Umrechnung von Zeit in Energie erfolgt über eine sogenannte Fourier-Transformation. Vereinfacht gesagt zerlegt das Verfahren ein zeitabhängiges Signal in seine enthaltenen Frequenzen. Ein anschauliches Beispiel ist die Musik: Jeder Ton kann als zeitliches Signal gemessen werden. Die Fourier-Transformation gibt an, welche Frequenzen – also Tonhöhen – darin enthalten sind. In der Quantenphysik funktioniert das ähnlich. Man simuliert, wie sich ein System mit der Zeit entwickelt, und die Fourier-Transformation zeigt, welche Energien in diesem System vorkommen. Die Energie entspricht mathematisch den Frequenzen des Signals. Damit ist die Fourier-Transformation der zentrale Schritt, um aus Simulationen physikalisch interpretierbare Spektren zu machen. Nyquist-Shannon-Theorem: Die Grenze der Auflösung Hier kommt das Nyquist-Shannon-Theorem zum Tragen. Es besagt, dass die Auflösung eines Frequenz- oder Energiespektrums davon abhängt, wie lange ein Signal beobachtet wird. Anschaulich bedeutet das: Wer nur einen sehr kurzen Ausschnitt eines Tons hört, kann dessen genaue Tonhöhe schwer bestimmen. Hört man länger zu, wird die Frequenz klarer. Genau dieses Prinzip gilt auch in Quantensimulationen. Da Simulationen nur bis zu einer endlichen Zeit laufen können, ist die Energieauflösung limitiert. Feine Details im Spektrum verschwimmen oder bleiben unsichtbar. Gerade bei komplexen Quantensystemen ist das ein entscheidendes Problem, weil physikalische Effekte oft in diesen feinen Strukturen verborgen sind. Die neue Idee: Mehr Information ohne längere Simulation Paeckels Ansatz: Statt die Simulation länger laufen zu lassen, erweiterte er die vorhandenen Daten mathematisch. Dazu formulierte er die Fourier-Transformation neu und ergänzte die zeitabhängigen Daten systematisch durch Zustände, die mithilfe sogenannter komplexer Zeitentwicklungen erzeugt werden. Sie enthalten Informationen über energetisch relevante Bereiche. Auf diese Weise lässt sich das Verhalten des Systems so rekonstruieren, als hätten es Forschende über sehr lange Zeit beobachtet, obwohl sie tatsächlich nur eine kurze Simulation durchgeführt haben. Die bisherige Auflösungsgrenze wird damit effektiv überwunden. Die Vorteile zeigen sich in Testsystemen. Beim Heisenberg-Modell etwa verschwinden künstliche Schwankungen in den berechneten Spektren und die Ergebnisse stimmen nahezu exakt mit Referenzdaten überein. Das Heisenberg-Modell ist eines der wichtigsten theoretischen Modelle der Festkörperphysik. Es beschreibt, wie sich atomare Spins – also die magnetischen Momente von Elektronen – in einem Material gegenseitig beeinflussen. Damit lassen sich in den gezeigten Testsystemen deutlich feinere Strukturen auflösen. Gleichzeitig bleibt der Rechenaufwand beherrschbar, da keine längeren Simulationen nötig sind. Perspektiven für Forschung und Anwendung Alles in allem eröffnet die Methode neue Möglichkeiten für die Untersuchung komplexer Quantensysteme. Sie könnte auch dazu beitragen, die mikroskopischen Mechanismen der Hochtemperatur-Supraleitung besser zu verstehen. In einer gemeinsamen Arbeit mit der Gruppe von LMU-Professor Fabian Grusdt findet Paeckels neue Methode bereits Anwendung, um eine neue Theorie zur Erklärung von Hochtemperatur-Supraleitung mit Experimenten in Verbindung bringen zu können. S. Paeckel; "Spectral Decomposition and High-Accuracy Green’s Functions: Overcoming the Nyquist-Shannon Limit via Complex-time Krylov Expansion"; Physical Review Letters, Volume 136, 2026-4-21 Ein schnellerer Weg zu tiefsten Temperaturen Neues Kühlverfahren vereinfacht die Realisierung von Quantensimulatoren Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft Polarluft und Tee: TUW-Erfindung macht Umweltschadstoffe messbar Feinstaub in der Luft oder Nanopartikel im Wasser – mit einer verblüffenden neuen Technologie der TU Wien lassen sich winzige Mengen verschiedenster Stoffe in kurzer Zeit nachweisen UFZ-Team entwickelt Verfahren zur Entfernung von Perfluorbutansäure aus Wasser Nanofiltration: Wasser wirksam von Glyphosat befreien Nanopartikel ermöglichen neue Kombinationen bisher nicht mischbarer Metalle Der Katalysator, der nie zur Ruhe kommt Al₂O₃ wechselt im Betrieb ständig zwischen zwei Strukturzuständen - das könnte der Schlüssel seiner hohen Aktivität sein Kurzschlüsse in Festkörperbatterien: Ursache endlich bewiesen Max-Planck-Forscher haben den Dendrit-Mechanismus mit Kryo-Elektronenmikroskopie aufgeklärt Wenn Moleküle reagieren: Neue Software zeigt biologische Prozesse in Bewegung KIMMDY könnte künftig helfen, biologische und chemische Prozesse besser zu verstehen Die neuen Triblock-Copolymere können hitzeempfindliche Enzyme einkapseln – ein Ansatz für den Abbau von Mikroplastik Neue KI-Methode erfasst weitreichende atomare Wechselwirkungen in komplexen Molekülen Google DeepMind, BIFOLD und die TU Berlin gehen einen zentralen Engpass bei atomistischen Simulationen an Forscher zeigen, wie einfache Magnete zur Lösung eines komplexen Problems beitragen können Magnetfelder helfen bei der Rückgewinnung wertvoller Metalle aus Abfällen Vom Labor zur Industrie: 3D-Druck beschleunigt die Zukunft der Lithiumbatterien Die Übersichtsarbeit beleuchtet das Potenzial, die Fallstricke sowie die Perspektiven der Rolle des 3D-Drucks bei der Herstellung von Lithiumbatterien Reifenabrieb macht ein Drittel des Meeresplastiks aus: Forscher und Start-up entwickeln Lösungen gegen Mikroplastik Blasentechnologie in Regenklärbecken und ein Manta-inspirierter Waschmaschinenfilter sollen Mikroplastik früh abfangen Übersehener Effekt: Halbleiterindustrie setzt auf falsche Materialien Neues KI-System liest Zahlen aus Fachtexten und entlastet Forschende von Routinearbeit Framework Quinex strukturiert quantitative Daten automatisch und soll helfen, die wachsende Datenflut zu beherrschen Tiefensolen im Norddeutschen Becken könnten eine der größten Lithiumressourcen Europas sein Verbundprojekt RoLiXX will Extraktionsverfahren entwickeln, die auch unter hochsalinaren Bedingungen umweltverträglich funktionieren Zufallsfund im Labor bringt Kieler Start-up NATO-Förderpreis Wie die Uni Kiel Forschende von der Erfindermeldung bis zur Ausgründung begleitet Grüner Wasserstoff nur aus Sonne und Wasser - ohne Elektrolyseure und ohne Strom Photreon, ein Ausgründungsprojekt aus dem KIT, entwickelt ein Photoreaktorpaneel für die direkte solare Wasserstofferzeugung Izatt-Christensen Award 2026 für Frank Würthner Würzburger Chemieprofessor erhält höchste internationale Auszeichnung, die es im Bereich der supramolekularen Chemie gibt Sweet-LOHC: Die nächste Generation chemischer Wasserstoffspeicher Hoffnungsträger für das Rheinische Revier Warum Wassertropfen Graphen „sehen“ – und es doch nicht zeigen Holen Sie sich die Chemie-Branche in Ihren Posteingang Mit dem Absenden des Formulars willigen Sie ein, dass Ihnen die LUMITOS AG den oder die oben ausgewählten Newsletter per E-Mail zusendet. 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