Nachrichten-Archiv von 2021

Nach der „ersten Quantenrevolution“ – der Entwicklung von Geräten wie Laser und Atomuhr – ist derzeit die „zweite Quantenrevolution“ im vollen Gange: Experten aus aller Welt entwickeln grundlegend neue Technologien, die auf der Quantenphysik beruhen. Eine Schlüsselanwendung ist die Quantenkommunikation, bei der Informationen in Licht geschrieben und verschickt werden. Für viele Anwendungen von Quanteneffekten muss das Licht in einem bestimmten Zustand sein, nämlich in einem Einzelphotonenzustand. Aber wie erzeugt man solche Einzelphotonenzustände am besten? Forscherinnen und Forscher aus Münster, Bayreuth und Berlin schlagen in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals „PRX-Quantum“ jetzt einen neuen Weg vor, ein Quantensystem zu präparieren, um Bauteile für die Quantentechnologie zu entwickeln.

Eine wissenschaftliche Arbeit der Teams um Prof. Cornelia Denz von der Universität Münster und Prof. Mark Dennis von der Universität Birmingham hat es auf die Liste der 30 weltweit besten Arbeiten des Jahres 2021 aus den Bereichen Optik und Photonik geschafft. Die Fachzeitschrift „Optics and Photonics News“ gibt in jedem Jahr den Sonderband "OPN’s Year in Optics" heraus, in dem die bedeutendsten Veröffentlichungen aus diesen Fachgebieten ausgezeichnet werden. Aus mehr als 100 internationalen Studien wählt eine Expertenkommission zuvor die besten 30 Studien aus.

 

Die optischen und elektrischen Eigenschaften hauchdünner Halbleiter lassen sich in unerwarteter Weise steuern, indem man die mechanische Dehnung des Materials kontrolliert. Das hat eine Forschungsgruppe aus Marburg und Münster herausgefunden, indem sie untersuchte, wie sich sichtbare und unsichtbare Quasiteilchen in Halbleiter-Dünnschichten bewegen. Das Team berichtet in der Wissenschaftszeitschrift „Nature Communications“ über seine Ergebnisse.

In kosmologischen Rechnungen wird fast immer angenommen, dass die Materie im Universum gleichmäßig verteilt ist. Das liegt daran, dass die Berechnungen zu kompliziert würden, würde man die Position jedes einzelnen Sterns einbauen. In Wirklichkeit ist das Universum nicht gleichmäßig. An manchen Stellen befinden sich Sterne und Planeten, an anderen herrscht Leere. Die Physiker Michael te Vrugt und Prof. Dr. Raphael Wittkowski vom Institut für Theoretische Physik und vom Center for Soft Nanoscience (SoN) der Universität Münster haben jetzt mit der Physikerin Dr. Sabine Hossenfelder vom Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) ein neues Modell für dieses Problem entwickelt. Ausgangspunkt ist der Mori-Zwanzig-Formalismus, eine Methode zur Beschreibung von Systemen aus sehr vielen Teilchen mit einer kleinen Anzahl von Messgrößen. Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Licht wird in modernen Anwendungen zu verschiedenen Zwecken eingesetzt. Daten lassen sich zum Beispiel mit Licht übertragen und nanoskopische Strukturen durch Licht erzeugen. Um solche Anwendungen zu ermöglichen, muss das Licht räumlich strukturiert werden. Dazu werden seine Eigenschaften – Intensität (Helligkeit), Phase (Position im Schwingungszyklus) und Polarisation (Richtung der Lichtschwingung) – „maßgeschneidert“. Typischerweise entstehen so im dreidimensionalen Raum strukturierte Lichtfelder, zum Beispiel durch die Anwendung eines Hologramms. Darüber hinausgehend hat nun ein internationales Forscherteam um Prof. Dr. Cornelia Denz von der Universität Münster und Prof. Dr. Mark Dennis von der Universität Birmingham (Großbritannien) eine Methode entwickelt, mit der das Licht derart strukturiert wird, dass eine Projektion aus dem vierdimensionalen Raum entsteht. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Was ist kosmische Strahlung? Aus welchen Teilchen besteht sie und wie lassen sich diese Teilchen messen? Und woher kommen sie eigentlich? Diesen Fragen können Schülerinnen und Schüler am 10. November beim „International Cosmic Day“ an der Universität Münster nachgehen. Der Workshop findet von 14 bis 18 Uhr am Institut für Kernphysik (Wilhelm-Klemm-Straße 9) statt. Er richtet sich an Jugendliche ab der zehnten Jahrgangsstufe. Eine Anmeldung ist bis zum 5. November möglich.

In einer kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Advanced Functional Materials erschienenen Arbeit konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der AG Wilde erstmalig die lokale Dynamik atomarer Umordnungsprozesse in einem ungeordneten Festkörper bei Raumtemperatur direkt beobachten und quantitativ vermessen [K. Spangenberg et al., Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2103742; DOI: 10.1002/adfm.202103742].

 

Derartige Umordnungsprozesse in Gläsern tragen wesentlich zu deren weitem Spektrum an Anwendungen bei, da sie den Elementarprozess zur Möglichkeit der Einstellung von Eigenschaften darstellen.

Einem deutsch-amerikanischen Forscherteam aus Augsburg, Münster, Edmonton, West Lafayette und München ist es gelungen, die rollende Bewegung einer Nanoschallwelle nachzuweisen, die der berühmte Physiker und Nobelpreisträger Lord Rayleigh 1885 vorhersagte. In einer in der Fachzeitschrift "Science Advances" veröffentlichten Studie verwenden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Nanodraht, in dessen Inneren Elektronen durch den "Spin" der Schallwelle auf Kreisbahnen gezwungen werden. Dieses nun nachgewiesene Phänomen kann beispielsweise in akustischen Quantentechnologien oder in sogenannten phononischen Bauelementen, mit denen sich die Ausbreitung akustischer Wellen kontrollieren lässt, gezielt verwendet werden.

Für seine herausragende Masterarbeit zur nichtlinearen Laserdynamik hat Thomas Seidel den mit 1.500 Euro dotierten „Infineon-Master-Award“ erhalten, den der Fachbereich Physik der Universität Münster jährlich mit der Infineon Technologies AG verleiht. „Seine Resultate gehen weit über den Rahmen einer Masterarbeit hinaus“, betont Dr. Svetlana Gurevich vom Institut für Theoretische Physik, in deren Arbeitsgruppe Thomas Seidel seine Masterarbeit anfertigte. „Die Arbeit ist wissenschaftlich originell und von sehr hoher Qualität, die Ergebnisse sind sowohl für theoretisch als auch experimentell arbeitende Gruppen auf dem Gebiet der nichtlinearen Laserphysik von großer Bedeutung.“

Messungen der biomechanischen Eigenschaften im Inneren lebender Zellen erfordern minimalinvasive Methoden. Besonders attraktiv ist die optische Pinzette als Werkzeug. Sie nutzt den Impuls von Licht, um mikro- oder nanoskalige Partikel einzufangen und zu manipulieren. Ein Forscherteam um Prof. Dr. Cornelia Denz vom Institut für Angewandte Physik der Universität Münster hat nun eine vereinfachte Methode entwickelt, um die nötige Kalibrierung der optischen Pinzette in dem zu untersuchenden System vorzunehmen. Beteiligt waren auch Wissenschaftler der Universität Pavia in Italien. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift "Scientific Reports" veröffentlicht.

Die Legosteine liegen überall verteilt auf den Tischen – in Schachteln, in Tüten, in Kisten, lose: Im Experimentierlabor MExLab ExperiMINTe ist an diesem Samstag nicht zu übersehen, dass die bunten Plastiksteine eine besondere Rolle spielen. Motivierte junge Menschen sitzen an den Tischen und versuchen, den Überblick über das scheinbare Chaos zu behalten. Sie fügen in Teams die Steine zusammen, um im Laufe des Wochenendes ein gigantisches Lego-Modell zu erschaffen: einen Nachbau des Teilchendetektors „ALICE“. Das 26 Meter lange und 16 Meter hohe Original steht im Kernforschungszentrum CERN bei Genf. Das Modell hat den Maßstab von etwa 1:40, der sich an der Größe der Legomenschen orientiert, wiegt etwa 16 Kilogramm – und besteht aus 16.000 Legosteinen.

Mit zwei neuen Programmen hält die Künstliche Intelligenz (KI) Einzug in die Hochschullehre an der Universität Münster. Die Universität hatte zwei Anträge für die Bund-Länder-Förderinitiative „Künstliche Intelligenz in der Hochschulbildung“ gestellt und war in beiden Fällen erfolgreich. Das Vorhaben „Interdisziplinäres Lehrprogramm zu maschinellem Lernen – InterKIWWU“ aus der Physik unter der Leitung von Prof. Dr. Uwe Thiele (Institut für Theoretische Physik) wird mit knapp zwei Millionen Euro gefördert. Unterstützt wird außerdem das Verbundvorhaben „medical tr.AI.ning – Intelligente Virtuelle Agenten für die Medizinische Ausbildung“ aus der Medizin. Unter der Leitung von Prof. Dr. Bernd Marschall (Institut für Ausbildung und Studienangelegenheiten) erhält das Projekt zusammen mit der Universität des Saarlandes, der FH Münster und der Hochschule der Bildenden Künste Saar rund 2,6 Millionen Euro; das Fördervolumen allein für die Universität Münster beträgt 1,1 Millionen Euro. Beide Projekte haben eine Laufzeit von vier Jahren.

Physik-Professorin Cornelia Denz übernimmt ab Mai kommenden Jahres die Führung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Sie erhielt ihre Berufung vom Bundesminister für Wirtschaft und Energie, Peter Altmaier.

Der kälteste Ort Münsters ist nicht viel größer als eine Briefmarke. Er kann Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts erreichen, also beinahe minus 273,15 Grad Celsius. Damit ist er etwa drei Grad kälter als das Weltall. Der frostige Punkt liegt in einem besonderen Kühlgerät – einem hochmodernen Kryostaten – in einem Labor von Prof. Dr. Ursula Wurstbauer am Physikalischen Institut der Universität Münster.

Alle Mädchen, die sich für Physik und Nachhaltigkeit interessieren, sind zu einem digitalen Workshop des Fachbereichs Physik der Universität Münster eingeladen. Die Veranstaltung gehört zu der Reihe „G4F – Girls4Future“ des Experimentierlabors „MExLab“ Physik und richtet sich an Schülerinnen ab der siebten Klasse. Zeit und Ort: Freitag, 28. Mai, von 14 bis 18 Uhr. Die Teilnahme ist kostenlos. Eine Anmeldung ist ab sofort bis zum 18. Mai per Mail unter mexlab.physik@uni-muenster.de möglich. Um Angabe einer postalischen Adresse wird gebeten, damit das Workshop-Material zugeschickt werden kann. Die Veranstaltung findet über das Videokonferenz-Angebot Zoom statt; die Teilnehmerinnen erhalten die Zugangsdaten per Mail.

 

Im Rahmen einer „International Masterclass“ lädt das Institut für Kernphysik der Universität Münster physikinteressierte Schülerinnen und Schüler ab der 10. Klasse zu einem zweitägigen Online-Workshop ein. Der Workshop ist ein gemeinsames Angebot mehrerer deutscher Standorte des „ALICE“-Experiments. An diesem Experiment ist auch die Universität Münster beteiligt. Es wird im weltweit größten Kernforschungszentrum für Teilchenphysik durchgeführt: am CERN bei Genf. Der Online-Workshop findet am 16. und 17. März jeweils nachmittags statt. Die Teilnahme ist kostenlos; Anmeldeschluss ist der 15. März. Genauere Informationen und die Möglichkeit zur Anmeldung gibt es unter http://go.wwu.de/nmkkg.

Einem deutsch-polnischen Forscherteam aus Augsburg, Münster, München und Breslau ist es gelungen, gezielt Nanoschallwellen auf einzelne Lichtquanten zu übertragen. In einer in der Fachzeitschrift „Optica“ veröffentlichten Studie verwenden die Wissenschaftler ein „künstliches Atom“, das die Vibrationen der Schallwelle mit nie dagewesener Präzision in einzelne Lichtquanten, Photonen umwandelt. Das erstmals nachgewiesene Prinzip bildet einen wichtigen Baustein für die Entwicklung hybrider Quantentechnologien.

 

Für seine herausragende Doktorarbeit hat Johannes Feldmann den mit 2.500 Euro dotierten Infineon-Promotionspreis 2021 erhalten. Der Physiker aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Wolfram Pernice am Physikalischen Institut der Universität Münster widmete sich in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Dr. Harish Bhaskaran an der Universität Oxford der Entwicklung sogenannter photonischer Prozessoren. Diese sind dem menschlichen Gehirn nachempfunden („neuromorph“) und verarbeiten Informationen ähnlich. Der Infineon-Promotionspreis wird jährlich vom Fachbereich Physik der Universität Münster und der Infineon AG, Warstein, vergeben.

Ultrakurze intensive Licht- beziehungsweise Laserpulse erlauben eine detaillierte Untersuchung der Struktur von atomaren und molekularen Systemen. Neuartige Strahlungsquellen wie Freie-Elektronen-Laser liefern Lichtblitze im fernen Ultraviolett- (XUV) bis Röntgenbereich und eröffnen diesem Forschungsgebiet im Hinblick auf die zeitliche Auflösung der Messdaten neue Möglichkeiten. Physikerinnen und Physiker der Gruppe um Dr. Christian Ott in der Abteilung von Prof. Dr. Thomas Pfeifer des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forschungsteam eine neue Methode zur Charakterisierung von XUV-Pulsen entwickelt. Maßgeblich beteiligt ist die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Helmut Zacharias von der Universität Münster.

„Künstliche Intelligenz“ (KI) gilt als Schlüsseltechnologie mit Anwendungsfeldern in verschiedensten gesellschaftlichen Bereichen. Dabei stellen die Forschung, die Entwicklung und vor allem die Nutzung von KI-Systemen gewaltige Anforderungen an die benötigte Rechenleistung und Speicherkapazität zur Verarbeitung hoher Datenmengen. Diese werden zum Beispiel bei Internetanwendungen wie dem “Internet der Dinge“ und Breitband-Diensten wie HD-Video-on-Demand und in sozialen Medien generiert. Herkömmliche elektronische Hardware ist dieser Herausforderung nicht länger gewachsen. Ein neuer Forschungsverbund um Dr. Wolfram Pernice, Professor am Physikalischen Institut der Universität Münster, erforscht schnelle und energieeffiziente optische Hardware-Alternativen. Von der Europäischen Kommission erhält der Verbund für diese Forschung im Zuge der Förderlinie „FET Proactive“ (Horizont 2020) nun fast sechs Millionen Euro für vier Jahre. Beteiligt sind unter anderem Forscherteams der Universität Exeter, Großbritannien, und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne, Schweiz.

 

"Unsere modernen elektronischen Technologien nähern sich physikalisch betrachtet derzeit rasch ihrem Limit. Um die riesigen Datenmengen zu verarbeiten, die für KI-Anwendungen nötig sind, brauchen wir völlig neue Ansätze“, unterstreicht Wolfram Pernice.

Das deutsche Netzwerk der ALICE-Kollaboration am CERN (Europäischen Organisation für Kernforschung) lädt Jugendliche ab 16 Jahren und Studierende der ersten Semester ein, den Teilchendetektor ALICE mit Lego nachzubauen. Physikerinnen und Physiker der Universität Münster und der Goethe-Universität Frankfurt begleiten den Online-Workshop. Die Teilnehmenden entwerfen vom 18. Januar an zunächst das Modell mit Konstruktionsprogrammen, im Juni soll der Lego-Detektor voraussichtlich in Frankfurt zusammengebaut werden. Mitmachen können junge Interessierte aus dem ganzen Bundesgebiet, da die Veranstaltungen online angeboten werden. Die Anmeldung ist unter http://go.wwu.de/gmxm- möglich.

Im Digital-Zeitalter wachsen Datenmengen exponentiell. Besonders die Anforderungen von Muster- und Spracherkennungen oder dem autonomen Fahren übersteigen oftmals die Kapazitäten herkömmlicher Computer-Prozessoren. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Münster entwickeln in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam neue Ansätze und Prozessor-Architekturen, die diesen Aufgaben gewachsen sind. Nun fanden sie heraus, dass sogenannte photonische Prozessoren, bei denen Daten mittels Licht transportiert werden, Informationen sehr viel schneller und parallel verarbeiten als elektronische Chips. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.