News archive of 2021

 

After the “first quantum revolution” – the development of devices such as lasers and the atomic clock – the “second quantum revolution” is currently in full swing. Experts from all over the world are developing fundamentally new technologies based on quantum physics. One key application is quantum communication, where information is written and sent in light. For many applications making use of quantum effects, the light has to be in a certain state – namely a single photon state. But what is the best way of generating such single photon states? In the PRX Quantum journal, researchers from Münster, Bayreuth and Berlin have now proposed an entirely new way of preparing quantum systems in order to develop components for quantum technology.

A scientific paper by teams led by Cornelia Denz at the University of Münster and Mark Dennis at the University of Birmingham has made it onto the list of the world's 30 best papers of 2021. Every year, the journal "Optics and Photonics News" publishes the special volume "OPN's Year in Optics," which honors the most significant papers in the fields of optics and photonics from the previous year. From more than 100 international studies, a committee of experts selects the best 30 studies to be honored in this issue. In previous years, publications from Cornelia Denz's Nonlinear Photonics group have also been represented on the prestigious list several times.

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.

It is almost always assumed in cosmological calculations that there is a even distribution of matter in the universe. This is because the calculations would be much too complicated if the position of every single star were to be included. In reality, the universe is not uniform: in some places there are stars and planets, in others there is just a void. Physicists Michael te Vrugt and Prof. Raphael Wittkowski from the Institute of Theoretical Physics and the Center for Soft Nanoscience (SoN) at the University of Münster have, together with physicist Dr. Sabine Hossenfelder from the Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS), developed a new model for this problem. Their starting point was the Mori-Zwanzig formalism, a method for describing systems consisting of a large number of particles with a small number of measurands. The results of the study have now been published in the journal “Physical Review Letters”.

Light is used for various purposes in nowadays applications. For example, data can be transmitted with light and nanoscopic structures can be created by light. To enable such applications, light must be structured. To do this, its properties - intensity (brightness), phase (position in oscillation-cycle) and polarization (direction of the oscillation) - are "tailored". Typically, this results in three-dimensionally structured light fields, for example by using a hologram. Going beyond this, now an international team of researchers led by Prof. Dr. Cornelia Denz of the University of Münster and Prof. Dr. Mark Dennis of the University of Birmingham (United Kingdom) has developed a method for structuring light in such a way that a projection from four-dimensional space is created. The results have now been published in the journal Nature Communications.

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 a paper just published in the reputed journal Advanced Functional Materials, scientists from the Wilde group were able to directly observe and quantitatively measure for the first time the local dynamics of atomic rearrangements at room temperature in an amorphous solid [K. Spangenberg et al., Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2103742; DOI: 10.1002/adfm.202103742].

 

Such rearrangement processes in glasses contribute significantly to their wide range of applications since they represent the elementary process for the possibility to set material properties.

A team of German and American researchers from Augsburg, Münster, Edmonton, West Lafayette and Munich have detected the rolling movement of a nano-acoustic wave predicted by the famous physicist and Nobel prize-winner Lord Rayleigh in 1885. In a study published in the journal "Science Advances", the researchers use a nanowire inside which electrons are forced onto circular paths by the spin of the acoustic wave. This phenomenon can find applications in acoustic quantum technologies or in so-called phononic components which are used to control the propagation of acoustic waves.

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.“

This multi-frequency method leads to a shortened measurement time of a few seconds instead of the conventional ten minutes.Measurements of biomechanical properties inside living cells require minimally invasive methods. Optical tweezers are particularly attractive as a tool. It uses the momentum of light to trap and manipulate micro- or nanoscale particles. A team of researchers led by Prof. Dr. Cornelia Denz from the University of Münster has now developed a simplified method to perform the necessary calibration of the optical tweezers in the system under investigation. Scientists from the University of Pavia in Italy were also involved. The results of the study have been published in the journal “Scientific Reports”.

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.

A German-polish research team from Augsburg, Münster, Munich and Wrocław successfully mixed nanoscale sound waves and light quanta. In their study published in Optica the scientists use an ’artificial atom’ that converts the vibrations of the sound wave to single light quanta - photons - with unprecedented precision. The demonstrated fundamental principle marks an important step toward the development of future hybrid quantum technologies. Light and sound waves form the backbone of modern communication technology. While light transmits data across the globe in fibre optical network, sound wave-based chips are used in the wireless communication between routers, tablets or smartphones. At the dawn of the new era of quantum communications, these two key technologies have been made fit for the future. Here, so-called hybrid quantum technologies are key.

 

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.

Artificial intelligence (AI) is seen as a key technology with fields of application in a wide variety of areas in society. However, researching, developing and, in particular, using AI systems presents enormous challenges for the computing power and storage capacity needed to process large data volumes. These are generated for example in internet applications such as the Internet of Things and broadband services such as HD video on demand and social media. Traditional electronic hardware is no longer able to meet this challenge. A new research alliance headed by Dr. Wolfram Pernice, a professor at the Institute of Physics at the University of Münster, is developing fast, energy-efficient optical hardware alternatives. The alliance is now to receive almost six million euros for this research, over four years, from the European Commission, as part of the FET Proactive (Horizon 2020) funding line. The research teams involved include those from the University of Exeter (UK) and École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL, Switzerland).

 

“Our modern electronic technologies are fast approaching their limit, from a physics point of view,” says Wolfram Pernice. “We need completely new methods for processing the enormous data volumes which are necessary for AI applications.”

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.

In the digital age, data traffic is growing at an exponential rate. The demands on computing power for applications in artificial intelligence such as pattern and speech recognition in particular, or for self-driving vehicles, often exceeds the capacities of conventional computer processors. Working together with an international team, researchers at the University of Münster are developing new approaches and process architectures which can cope with these tasks extremely efficient. They have now shown that so-called photonic processors, with which data is processed by means of light, can process information much more rapidly and in parallel - something electronic chips are incapable of doing. The results have been published in the “Nature” journal.