Eines der zentralen Ziele des Spezialforschungsbereichs „Dark Universe Explorations“ (DUNE) ist es, mehr über die Dunkle Materie und die Dunkle Energie im Universum zu lernen. „Zusammen machen diese unsichtbaren Komponenten 95% des Energiegehaltes des Universums aus, ihre jeweilige physikalische Natur ist aber immer noch weitgehend unbekannt“, erklärt der Sprecher des neuen Spezialforschungsbereichs Tim Schrabback vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck. Weder die Dunkle Materie noch die Dunkle Energie können direkt beobachtet werden. Indirekt hinterlassen sie jedoch Signaturen, zum Beispiel in den Verteilungen und Eigenschaften von Galaxien, sowie in winzigen Verzerrungen der beobachteten Galaxienformen durch den Gravitationslinseneffekt. „Der Vergleich von Galaxienbeobachtungen mit theoretischen Modellen kann also Licht ins Dunkle Universum bringen“, sagt Tim Schrabback.
Das Projektteam verwendet Beobachtungsdaten zweier neuer Weltraumteleskope: Die Euclid-Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA ist im Juli 2023 gestartet und soll bis Ende des Jahrzehnts gestochen scharfe Bilder von mehr als einem Drittel des Nachthimmels liefern. Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST), ein gemeinsames Projekt der ESA mit der amerikanischen NASA und der kanadischen Weltraumorganisation CSA, erlaubt es den Wissenschaftler:innen in kleinen Bereichen des Himmels sehr tief in die Vergangenheit des Universums zu blicken.
Grundlagen für Quantensimulatoren
Mithilfe von Quantensimulatoren könnten sich in Zukunft komplexe Phänomene untersuchen lassen, die für klassische Computer nur schwer oder gar nicht zugänglich sind. Auf dem Weg zu solchen Anwendungen spielen ultrakalte Atome und Moleküle eine wichtige und vielversprechende Rolle: In aktuellen Experimenten lassen sie sich bei extrem niedrigen Temperaturen schon heute mit Laserlicht individuell und präzise manipulieren und so nach einem Baukastenprinzip zu großen Architekturen zusammenfügen.
Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen, wird es zukünftig notwendig sein, eine hohe Vernetzung und quantenmechanische Verschränkung vieler, auch weit voneinander entfernter Teilchen zu erreichen. Genau dies ist das Ziel des neuen Spezialforschungsbereichs „Quantensysteme von neutralen Atomen mit hoher Konnektivität“, an dem Hannes Bernien, Francesca Ferlaino und Hannes Pichler von der Universität Innsbruck und dem ÖAW-Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Innsbruck beteiligt sind. Die Wissenschaftler:innen aus Theorie und Experiment arbeiten interdisziplinär an den Schnittstellen von Atomphysik, Quantenoptik und Vielteilchentheorie zusammen. Mit der Realisierung und Untersuchung von Quantensystemen, die nun erstmals experimentell zugänglich werden, verspricht die geplante Kooperation nicht nur ein tieferes Verständnis von neuartigen Materiezuständen, sondern auch praktische Durchbrüche auf dem Gebiet der Quantentechnologie.
Starke Forschungsnetzwerke etablieren
Für die neuen Forschungsnetzwerke stehen in den kommenden vier Jahren jeweils rund 4 Millionen Euro zur Verfügung. Nach erfolgreicher Evaluierung verlängert der Wissenschaftsfonds FWF die Förderung um weitere vier Jahre. Mit Spezialforschungsbereichen will der FWF außerordentlich leistungsfähige, eng vernetzte Forschungseinheiten zur Bearbeitung von langfristig angelegten, aufwendigen Forschungsthemen aufbauen. Die finanziellen Mittel des Förderprogramms stammen vom Fonds Zukunft Österreich.