Forschungsschwerpunkte am Fachbereich Physik

Materie unter extremen Bedingungen

Während der Entwicklung des frühen Universums und im Inneren von kompakten astrophysikalischen Objekten sind extreme Temperaturen und Dichten realisiert, die auf der Erde nicht natürlich vorkommen und nur für Sekundenbruchteile mittels Schwerionenkollisionen, beispielsweise bei CERN-LHC oder GSI-FAIR, hergestellt und studiert werden können. Der Forschungsschwerpunkt Materie unter extremen Bedingungen untersucht die mikroskopischen Wechselwirkungen und daraus resultierenden Eigenschaften von Materie unter solchen Bedingungen, wofür auch umfangreiche technologische Entwicklungen auf dem Gebiet der Beschleuniger- und Detektorphysik erforderlich sind. Dieser Schwerpunkt umfasst Forschungen aus dem Institut für Kernphysik, dem Institut für Theoretische Physik und dem Institut für Angewandte Physik.

Seit ihrem ersten Nachweis 2015 sind die Gravitationswellen, die bei der Fusion von kompakten astrophysikalischen Objekten entstehen, zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden, um die Gravitationswechselwirkung größter Massen sowie das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen zu vermessen. Im Potenzialfeld Astrophysik und Gravitationswellen werden insbesondere Verschmelzungen von Neutronensternen untersucht, die direkte Informationen über allgemeine Eigenschaften von Materie bei Kerndichten und darüber hinaus liefern. Die Arbeiten auf diesem Gebiet haben direkte Verbindungen mit benachbarten Forschungsfeldern, wie z.B. der Schwerionenphysik. Gegenstand weiterer theoretischer und experimenteller Untersuchungen ist die Genese der schweren chemischen Elemente im Verlauf solcher astrophysikalischen Prozesse.

Kondensierte Materie und Quantenmaterialien

Der Forschungsschwerpunkt Kondensierte Materie und Quantenmaterialien untersucht neuartige physikalische Phänomene von Festkörpern verschiedener Größe (von nano-skalig bis makroskopisch), die sich aus einer besonders starken Kopplung zwischen den elastischen Eigenschaften des Materials und seinen elektronischen Quantenphasen ergeben. Die Untersuchungen richten sich auf kollektive Phänomene wie unkonventionelle Supraleitung, frustrierter Magnetismus, elektronische Multiferroelektrizität sowie topologische Quantenzustände und stellen damit eine Verbindung dar zum Forschungsschwerpunkt Lichtgetriebene Prozesse in Atomen, Molekülen und Organismen. Vielteilchen-Phänomene dieser Art werden auch in Quantensimulatoren, bestehend aus Licht und ultrakalten Atomgasen, untersucht. Diese Systeme realisieren einerseits synthetische Quantenmaterie mit hochgradig regelbaren Eigenschaften, und stellen andererseits auch einen Bezug zum Forschungsschwerpunkt Materie unter extremen Bedingungen her, da für diesen relevante Modellsysteme simuliert werden können. Arbeiten zu diesem Forschungsschwerpunkt werden mm Physikalischen Institut sowie am Institut für Theoretische Physik durchgeführt.

Lichtgetriebene Prozesse in Atomen, Molekülen und Organismen

Der Forschungsschwerpunkt Lichtgetriebene Prozesse in Atomen, Molekülen und Organismen spannt einen Bogen von isolierten Atomen bis hin zu lichtgesteuerten Prozessen in Lebewesen. Er bildet so eine Brücke zwischen den Profilbereichen Raum, Zeit und Materie und Struktur und Dynamik des Lebens und verknüpft die klassischen Disziplinen Physik, Chemie und Biologie. Studien an Atomen und einfachen Molekülen ermöglichen die detaillierte Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Licht erlaubt es, Festkörper wie Quantenmaterialien oder beispielsweise in Organismen auftretende Moleküle gezielt zu manipulieren und ihre Dynamik zu verstehen. Es werden Verfahren entwickelt, die es ermöglichen, Prozesse in komplexen Systemen bis hin zu lebenden Organismen mit Licht zu steuern und darstellbar zu machen. Am Fachbereich Physik wird dieser Forschungsschwerpunkt von Forschern des Instituts für Kernphysik sowie des Instituts für Biophysik bearbeitet.