Akustische Oberflächenwellen werden derzeit in nahezu allen Smarphones eingesetzt um WLAN-Signale zu filtern. Sie werden zudem im Forschungsschwerpunkt Nanophysik hinsichtlich ihres potenziellen Einsatzes in Quantentechnologien untersucht.
Das Studium der Superlative
Schon immer hat der Weltraum die Menschheit fasziniert. Der Forschungsschwerpunkt Teilchenphysik befasst sich sowohl mit der theoretischen Beschreibung von astrophysikalischen Prozessen als auch mit der experimentellen Untersuchung von kosmischen Teilchen und dunkler Materie.
Die Dicke von 2D Materialien liegt unter einem Nanometer, was 100.000 mal dünner als ein menschliches Haar ist. Graphen ist ein prominentes Beispiel für solch ein Material. Im Forschungsschwerpunkt Nanophysik liegt ein besonderer Fokus auf der Erforschung der speziellen optischen, elektronischen und mechanischen Eigenschaften dieser Materialien.
Der alltägliche Eindruck, dass das Wetter oft chaotisch wirkt, trifft vollkommen zu. In Systemen, die aus vielen wechselwirkenden Komponenten bestehen und die durch zahlreiche Parameter beeinflusst werden, findet chaotische Dynamik statt. Im Forschungsschwerpunkt Nichtlineare Physik werden raum-zeitliche Musterbildungs- und Selbstorganisationsprozesse untersucht, um das Wechselspiel chaotischer und geordneter Strukturen zu verstehen.
Der Spin von Elektronen ist eine fundamentale Quanteneigenschaft, die eng mit dem Magnetismus von Materialien verknüpft ist. Im Forschungsschwerpunkt Nanophysik werden nicht nur die Spins einzelner Elektronen und kollektive Spinkonfigurationen in magnetischen Materialien untersucht, sondern auch die Nutzung des Elektronenspins als Informationsträger für Anwendungen in der Elektronik.
Durch Bohrungen kann man, verglichen mit dem Erdradius, nur eine sehr geringe Tiefe erreichen und erforschen. Daher nutzt der Forschungsschwerpunkt Geophysik Daten aus Erdbeben und Volkanausbrüchen, um die größten Tiefen der Erde zu untersuchen. Dazu werden nicht nur Messungen, sondern auch komplexe Simulationen der nichtlinearen Dynamik im Erdinnern durchgeführt.
Die Untersuchung kosmischer Neutrinos gestaltet sich extrem schwierig, da sie nur selten mit anderen Teilchen interagieren. Um die Messungen zu ermöglichen, kann man große Mengen Wasser oder Eis mit Sensoren ausstatten. Dies wird beim IceCube-Experiment am Südpol ausgenutzt, an dem der Forschungsschwerpunkt Teilchenphysik beteiligt ist.
Neutrinos sind neben Photonen (Lichtteilchen) die mit Abstand häufigsten Elementarteilchen im Universum. Sie entstehen beispielsweise bei der Fusion in der Sonne oder in Betazerfällen. Aufgrund ihrer großen Anzahl sind sie wichtig für die Entwicklung des Universums, und die Kleinheit der Masse macht sie für die Teilchenphysik so spannend. Dass Neutrinos Masse haben, wurde durch ihre besonderen Quanteneigenschaften ("Neutrinooszillation") bewiesen. Um ihre Masse zu bestimmen beteiligt sich der Forschungsschwerpunkt Teilchenphysik am KATRIN-Experiment.
Die Entwicklung von Lasern hat neue Möglichkeiten für die optische Kontrolle und Untersuchung von Materialien eröffnet, ein Vorgang, der als Spektroskopie bekannt ist. Der Forschungsschwerpunkt Nanophysik befasst sich sowohl mit der Entwicklung, als auch mit der Nutzung von Lasertechnologien in verschiedenen Anwendungsbereichen.
Der technologische Fortschritt war schon immer eng mit der Erforschung neuer Materialien verbunden. Die Eisen- und Bronzezeit sowie die Halbleitertechnologie sind hierfür anschauliche Beispiele. Im Forschungsschwerpunkt Nanophysik werden außergewöhnliche Materialien untersucht, die sich nur schwer in die gewohnen Materialklassen, wie Metall (Kristalle) und Glas (amorphe Materialien), einsortieren lassen. Das Verständnis ihrer besonderen Eigenschaften kann wegweisend für zukünftige Technologien sein.
Möchte man mit einem Lichtmikroskop Bilder aufnehmen, kann die Schärfe der Abbildungen nicht viel besser als ein Mikrometer (0.001 Meter) werden. Im Forschungsschwerpunkt Nanophysik werden jedoch Methoden der Nanophotonik verwendet. Dabei wird die Konktrolle von Licht auf kleineren Längenskalen durch Materialstrukturierung im Nanometer-Bereich (0.001 Mikrometer) möglich gemacht.
Für die Simulation immer größerer und komplexerer Systeme setzen die Forschungsschwerpunkte Nichtlineare, Nano-, Teilchen- und Geophysik häufig Supercomputer eingesetzt. Der Schwerpunkt Nanophysik befasst sich zudem mit der Entwicklung von Quantencomputern, die bestimmte Probleme noch schneller lösen können.
Auf atomaren Längenskalen gelten die uns vertrauten physikalischen Gesetzmäßigkeiten nicht mehr und Quanteneffekte treten in Erscheinung. Rastermikroskope nutzen diese Phänomene, indem sie Oberflächen mit einer atomar spitzen Nadel abtasten und sogar einzelne Atome sichtbar machen können. Um zusätzliche Informationen über die elektronischen Eigenschaften zu erhalten nutzt man den sogenannten Tunnelstrom von Elektronen aus. Im Forschungsschwerpunkt Nanophysik kommen diese Techniken zum Einsatz.
Die grundlegenden Fragestellungen im Forschungsschwerpunkt Teilchenphysik konzentrieren sich auf die fundamentalen Bausteine unseres Universums. Um einige der noch offenen Fragen zu beantworten, müssen immer größere Experimente, wie beispielsweise Teilchenbeschleuniger am Forschungszentrum CERN, simuliert und durchgeführt werden.