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Kondensierte Materie und Angewandte Physik

Theoretische und experimentelle Arbeitsgruppen am Physikalischen Institut auf dem Bereich der Kondensierten Materie und Angewandten Physik:

Theoretische Polymerphysik (AG Blumen)

Prof. Dr. A. Blumen
apl. Prof. Dr. O. Mülken

Während für die Synthese von Polymeren die chemischen Eigenschaften der Bausteine (Monomere) eine entscheidende Rolle spielen, ist das makroskopische Verhalten einer Polymer-Lösung oder auch einer Schmelze oft nur durch die Architektur, d.h. die Art der Vernetzung oder Verzweigung der Moleküle bestimmt. Wir arbeiten mit analytischer Theorie und Computersimulationen. Häufig werden beide Zugänge kombiniert. Von besonderem Interesse sind:

  • Wechselwirkung von Polymeren mit Medien.
  • Transportphänomene
  • Kurze Polymerkette als Modell komplexerer Strukturen
  • Polymere im (elektrischen) Feld: Elektrophorese
  • Dynamik komplexer Strukturen
  • Diffusionsgleichungen mit fraktalen Ableitungen
  • Wanderung von Polymeren durch Poren
  • Einzelsegmentmanipulation
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Komplexe Systeme, Offene Quantensysteme, Quanteninformation

apl. Prof. Dr. H.-P. Breuer

Die Quantenmechanik stellt die Grundlage unseres heutigen Verstaendnisses der physikalischen Gesetze dar. Fuer die ueberwiegende Zahl der theoretisch und experimentell relevanten Systeme ist jedoch eine vollstaendige Analyse und Kontrolle auf der mikroskopischen Ebene der Quantenmechanik praktisch undurchfuehrbar. Vielmehr werden realistische quantenmechanische Systeme durch die Kopplung an ihre Umgebung beeinflusst, die aus einer meist unendlichen Zahl nicht kontrollierbarer Freiheitsgrade besteht. Fuer solche Systeme stellt die Theorie der komplexen, offenen Quantensysteme einen geeigneten konzeptionellen Rahmen dar. Sie fuehrt auf eine Vielzahl von Anwendungen in verschiedensten Bereichen der Physik, die von Grundlagenfragen (Quantentheorie der Messung, Dekohaerenz) ueber die Quantenoptik und die Festkoerperphysik (Markovsche und nicht-Markovsche Quantenprozesse) bis hin zu technologischen Anwendungen (Charakterisierung und Erzeugung verschraenkter Quantenzustaende, Quanten-Information und Quanten-Kommunikaton) reichen. Neben modernen mathematischen Methoden kommt hierbei der Entwicklung effizienter numerischer Simulationsalgorithmen (z.B. Monte Carlo-Simulationen) eine grosse Bedeutung zu.      

 

Theoretische Festkörperphysik (AG Grabert)

Prof. Dr. H. Grabert

Im Mittelpunkt unserer Forschung stehen einerseits physikalische Eigenschaften von offenen dissipativen Quantensystemen und andererseits die Physik mikro- und nanoskopischer Strukturen mit einem besonderen Schwerpunkt auf ihren elektronischen und mechanischen Eigenschaften. Typische Beispiele für solche Objekte sind sehr dünne Quantendrähte, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, elektrisch kontaktierte Moleküle oder molekulare Brücken und Quantenpunkte. Die Eigenschaften solcher Objekte sind auf entscheidene Weise durch die Wechselwirkung der Ladungsträger untereinander und durch die Ankopplung an die äußere Umgebung beeinflusst, so dass man generell mit Vielteilchenproblemen konfrontiert ist.

Als wichtigste Werkzeuge zur Analyse dieser Systeme sind die diagrammtechnische und feldtheoretische Methoden besonders hervorzuheben. Oft jedoch ist man auf numerische Zugänge angewiesen, da es nur wenige Vielteilchenprobleme gibt, die eine explizite analytische Lösung erlauben. Die Monte-Carlo Simulationsmethoden spielen dabei eine besondere Rolle, da sie eine direkte Umsetzung der zu ermittelnden quantenmechanischen Erwartungswerte darstellen.

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Modellierung und Simulation Funktionaler Nanosysteme (AG Moseler)

Prof. Dr. M. Moseler
PD. Dr. M. Walter

Modelling and Simulation

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Experimentelle Polymerphysik (AG Reiter)

Prof. Dr. G. Reiter
PD Dr. F. Ziebert

Experimentelle Physik, speziell im Bereich der „Weichen Materie“ (Soft Matter), stellt ein wesentliches Bindeglied zwischen (Makromolekularer) Chemie, Biologie und Angewandten Naturwissenschaften dar. Dies trifft besonders auf die Herstellung und Untersuchung von komplexen molekularen Systemen und Materialien zu, die zum Teil durch Vorgänge in der Natur inspiriert worden sind bzw. versuchen, diese nachzuahmen.

Die Forschung konzentriert sich auf Fragestellungen zu Oberflächen und Grenzflächen, Wachstums- und Strukturbildungsprozessen, funktionellen Materialen basierend auf komplexen, zum Teil nano-strukturierten Systemen. Im Zentrum stehen die Erforschung von molekularen Wechselwirkungen, deren Veränderung bzw. Kontrolle durch äußere Einflüsse und deren Konsequenzen in der Organisation und bezüglich Strukturbildungsmechanismen in komplexen, makromolekularen Systemen. Die Polymerphysik repräsentiert daher eine tragende Säule im Hinblick auf grundlegende und konzeptionelle Fragen im interdisziplinären Ansatz innovativer Materialforschung.

Die Ausrichtung des Lehrstuhls folgt einem „bottom-up“ Konzept: Molekulare Wechselwirkungen und deren Kontrolle auf sub-Nanometer Skalen bestimmen die hierarchische Organisation von komplexen und funktionellen (Makro-)Molekülen über viele Längenskalen hinweg, bis hin zu makroskopischen Längen (z.B. Millimeter). Diese Strukturen sollen sichtbar gemacht werden, die zugrundeliegenden Bildungs- und Ordnungsprozesse ermittelt und durch geeignete Manipulation (externe Einflüsse) verändert und kontrolliert werden. Der Schwerpunkt wird gezielt auf Oberflächenphänomene gelegt, weil die entsprechenden (quasi-)zwei-dimensionalen Systeme zum einen eine Vielzahl von experimentellen Zugängen erlauben und zum anderen diese Phänomene eine zentrale Rolle in der Materialforschung spielen.

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Dynamische Prozesse in den Lebenswissenschaften (AG Timmer)

Prof. Dr. J. Timmer

Die Eigenschaften biomedizinischer Systeme sind durch ihr dynamisches Verhalten bestimmt, von der Genregulation in Zellen bis zu den Oszillationen bei Erkrankungen wie dem Parkinson'schen Tremor. Fehlfunktion der dynamischen Prozesse koennen Ursache oder Anzeichen von Krankheiten sein. In der Abteilung werden in interdisziplinären Projekten mit Biologen und Medizinern mathematische Methoden entwickelt und angewandt, um dynamische Prozesse in den Lebenswissenschaften basierend auf empirischen Daten zu analysieren und zu modellieren.

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Nanophysik und Molekulare Nanomagnete (AG Waldmann)

Prof. Dr. O. Waldmann

Molekulare Nanomagnete, eine neue Klasse von magnetischen Materialien, erlauben einen faszinierenden Einblick in den Magnetismus von mesoskopischen Quantensystemen. In diesen Molekülen sind mehrere magnetische Metallionen über organische Liganden so miteinander verbrückt, dass sie wohldefinierte geometrische Strukturen aufbauen. Es handelt sich somit um magnetische Nanocluster mit idealen Eigenschaften: Sie weisen keine Größen- oder Formdispersion auf und sind faktisch voneinander isoliert - und bieten daher die einmalige Chance, über Experimente an makroskopischen Proben direkt die Physik einzelner Moleküle zu erschliessen.

Molekulare Nanomagnete stellen damit exzellente Modellsysteme zur Verfügung, um grundlegende Fragen zur Quantenmechanik, zum Übergang zur klassischen Mechanik, zur Physik des Magnetismus im mesoskopischen Grenzbereich und zum Einsatz als molekulare Datenspeicher oder in Qanteninformationstechnologien zu beantworten.

Auf der experimentellen Seite setzen wir z.B. inelastische Neutronenstreuung oder Hochfeld-Magnetometrie ein. Für die Analyse und vor allem zur physikalischen Interpretation der Daten werden anspruchsvolle numerische Verfahren eingesetzt und weiterentwickelt.

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Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE)

Prof. Dr. E. Weber

Das Fraunhofer ISE ist mit rund 1200 Mitarbeitern das größte Solarforschungsinstitut Europas. Die Arbeit des Instituts reicht von der Erforschung der naturwissenschaftlich-technischen Grundlagen der Solarenergienutzung über die Entwicklung von Prototypen bis hin zur Ausführung von Demonstrationsanlagen.      KS_Weber.jpg

 

 

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