Markus Müller wird für sein Paper Correlating Thermal Machines and the Second Law at the Nanoscale, publiziert in PHYSICAL REVIEW X 8, 041051 (2018) ausgezeichnet.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist ein wesentliches Fundament der modernen Physik. Er besagt, dass die Entropie abgeschlossener physikalischer Systeme stetig zunehmen muss – oder, allgemeiner, dass die sogenannte “freie Energie” im Lauf der Zeit abnimmt.
In der mikroskopischen Welt der Quantenmechanik jedoch, die die Grundlage großer Teile der modernen Technik bildet, ist der zweite Hauptsatz nicht der Weisheit letzter Schluss: um die Möglichkeiten und Grenzen von Wärmekraftmaschinen zu verstehen, die mit einzelnen Quantenteilchen arbeiten, muss der zweite Hauptsatz ergänzt werden. Wie Kollegen in den letzten Jahren gezeigt haben [1], gibt es hier eine ganze Familie “vieler zweiter Hauptsätze”, die der Abnahme der freien Energie weitere relevante Einschänkungen hinzufügen. Nur im Grenzfall sehr vieler Teilchen ist der ursprüngliche zweite Hauptsatz ausreichend.
In der preisgekrönten Arbeit gelangt der Autor aber zu einer überraschenden Erkenntnis: tatsächlich ist der ursprüngliche zweite Hauptsatz auch für einzelne Quantenteilchen das einzig relevante Gesetz – wenn man nur genauer berücksichtigt, dass mikroskopische Wärmekraftmaschinen clevere Strategien nutzen können, die für größere Maschinen keinen Vorteil bringen. Tatsächlich können mikroskopische Maschinen mit einzelnen Teilchen Korrelationen aufbauen, ohne ihre Funktionalität zu verlieren. Zieht man dies in Betracht, so zeigt sich, dass nur eine einzige Bedingung die Arbeitsweise dieser Maschinen einschränkt: die Abnahme der freien Energie. Dass der zweite Hauptsatz der Thermodynamik also ohne Einschränkung auch im mikroskopischen Bereich der Quantenmechanik gültig bleibt, ist eine fundamentale Einsicht in das Zusammenspiel dieser beiden physikalischen Theorien.
[1] F.G.S.L. Brandão, M. Horodecki, N. Ng, J. Oppenheim, and S. Wehner, The second laws of quantum thermodynamics, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112, 3275 (2015).
Markus Müller hat das Diplomstudium Physik 2004 an der Technischen Universität Berlin abgeschlossen; an dieser Universität promovierte er im September 2007. Von 2004-2010 war Markus Müller wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Berlin, anschließend (2010-2013) hatte er eine Postdoc-Stelle am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada. Von 2013-2015 war Markus Müller Junior Group Leader am Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg; vom 2015-2017 Assistenzprofessor an der University of Western Ontario, London, Kanada, Departments of Applied Mathematics and Philosophy, und assoziiertes Fakultätsmitglied am Perimeter Institute for Theoretical Physics, Waterloo, Kanada. Seit Juli 2017 ist Markus Müller Junior Research Group Leader am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) Wien und Visiting Fellow am Perimeter Institute for Theoretical Physics, Waterloo, Kanada.
Auszeichnungen (Auswahl): Birkhoff-von Neumann Prize (2016); Canada Research Chair (Tier 2) in the Foundations of Physics (2015-2017); Grant by the John Templeton Foundation (2016-2018); Discovery Grant der kanadischen Regierung (2016-2017) als alleiniger Principal Investigator; FQXi Large Grant (2016-2019) als alleiniger Principal Investigator.