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Forschung in der Physik

In der Forschung fokussiert sich die Physik auf attraktive Themen aus den Gebieten der Festkörperphysik, Quantenoptik und Teilchenphysik. In der Experimentalphysik arbeiten die Gruppen auf den Gebieten der Festkörper- und Röntgenphysik, Quantenoptik und Nanophotonik, und der Teilchen- und Astroteilchenphysik. In der Theorie beschäftigen sich die Forscher mit Teilchenphysik und Quanteninformationstheorie. Die Forschung ist stark international ausgerichtet und findet häufig in Zusammenarbeit mit auswärtigen Instituten und Wissenschaftlern  statt. Sie wird nicht nur von Studierenden und Dozenten getragen, sondern wesentlich auch von Doktoranden und Postdocs, die häufig von anderen Universitäten im In- oder Ausland nach  Siegen kommen, um an einem speziellen Thema zu arbeiten.

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In der Arbeitsgruppe Experimentelle Quantenoptik werden einzelne Atome eingefangen und mit Laserlicht bis nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt. Dies ermöglicht es, die innere Dynamik der Atome und deren Bewegung, beides bestimmt von den Gesetzen der Quantenmechanik, zu beobachten. Durch die gezielte Präparation einzelner Atome oder von Atomkristallen werden Experimente zu einer Vielzahl von physikalischen Phänomenen möglich, insbesondere zur Untersuchung grundlegender Fragestellungen der Quantenmechanik, z. B. den Messprozess in der Quantenmechanik oder die Verschränkung von Atomen betreffend. Aktuell arbeiten wir an der Verwirklichung eines Quantencomputers, wobei einzelne einfach ionisierte Atome als elementare Schalteinheit dienen: Die Bits der klassischen Informationsverarbeitung werden ersetzt durch Quanten-Bits. Die Quanten-Informationsverarbeitung ist ein junges, sich schnell entwickelndes, interdisziplinäres Forschungsgebiet an der Schnittstelle zwischen Physik, Mathematik und Informatik. Die Siegener Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet sind eingebunden in europäische und weltweite Kollaborationen.

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In der Arbeitsgruppe Theoretische Quantenoptik werden nun grundlegende Fragen der Quantenmechanik theoretisch untersucht. Viele Arbeiten betreffen dabei das Phänomen der Verschränkung: Gemäß den Regeln der Quantenmechanik können zwei oder mehrere Teilchen in einem Zustand sein, bei dem sie nur als ein Gesamtsystem verstanden werden können. Dies kann zu paradoxen Effekten führen, die Albert Einstein einmal als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete. Für die Forschung ergeben sich dadurch viele Fragen: Wie charakterisiert man Verschränkung theoretisch? Wie kann man sie in Experimenten nachweisen? Wofür kann man die Verschränkung nutzen? Wie wird Verschränkung durch Störungen und Rauschen beeinflußt? Diese Themen werden in der Gruppe bearbeitet. Dabei wird zum einen mathematisch gearbeitet, zum anderen wird aber auch mit Experimentalphysikern diskutiert, um deren Experimente zu analysieren. Bei den Forschungsthemen arbeitet die Gruppe mit der experimentellen Quantenoptik in Siegen zusammen. Weiterhin gibt es viele Kollaborationen mit anderen Wissenschaftlern aus aller Welt, insbesondere aus China, Kanada, Österreich und Spanien.

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Die Elementarteilchenphysik ist ein wesentliches Standbein der Siegener Physik. Seit der Gründung der Universität hat sich Siegen zu einem weltweit bekannten Standort sowohl der experimentellen wie auch der theoretischen Teilchenphysik entwickelt. Das Spektrum der von den Siegener Gruppen experimentell untersuchten Fragestellungen reicht von Messungen der primären kosmischen Strahlung durch die Analyse ausgedehnter kosmischer Luftschauer in den Experimenten KASCADE Grande, LOPES und AUGER bis hin zu den grundlegenden Fragestellungen der Teilchenphysik wie der Suche nach dem Higgs-Teilchen, das als Ursprung der Masse angesehen wird, und der Frage der Mischung der Quarkfamilien, die unmittelbar mit der Materie-Antimaterie Asymmetrie im Universum zusammenhängt (ATLAS). Im Zuge der Untersuchung solcher Fragen ergeben sich interessante Verbindungen zwischen Kosmologie und Astrophysik auf der einen und der Elementarteilchenphysik auf der anderen Seite. Dieser Bereich entwickelt sich zurzeit zu einem eigenen Arbeitsgebiet, der sogenannten Astroteilchenphysik, an dem die Siegener Teilchenphysik wesentlich beteiligt ist. Die hier bearbeiteten Fragestellungen sind die Erforschung der Ursache des im Energiespektrum der kosmischen Strahlung auftretenden Knickes (Knie), der Nachweis ausgedehnter Luftschauer durch Radiosignale sowie der Ursprung kosmischer Strahlung extrem hoher Energie. In der Vergangenheit hat sich die Zusammenarbeit zwischen den theoretischen und experimentellen Gruppen in Siegen als sehr fruchtbar herausgestellt und für die Zusammenarbeit wurde das Center for Particle Physics Siegen gegründet.

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Im Bereich der Theoretischen Teilchenphysik werden Fragestellungen der phänomenologischen Elementarteilchenphysik bearbeitet, wobei eine enge Vernetzung mit den experimentellen Gruppen stattfindet. Neue Experimente am LHC, und womöglich die Daten zukünftiger Teilchenbeschleuniger wie des geplanten International Linear Collider ILC oder des Flavour-Experiments Belle-2 in Japan, sollen grundlegende Fragen der Teilchenphysik beantworten, beispielsweise warum in der Natur drei Kopien der Materieteilchen auftreten und warum deren Massen so unterschiedlich sind. Dazu müssen die elementaren physikalischen Prozesse genauer berechnet, mit besserer Präzision simuliert und mögliche neue Phänomene plausibel abgeschätzt werden. Dies ist die Aufgabe der theoretischen Elementarteilchenphysik. Die Siegener Gruppen in der Teilchenphysik sind in langfristige internationale Kollaborationen am Europäischen Labor für Teilchenphysik (CERN) in Genf und am Forschungszentrum in Karlsruhe eingebunden. Im Zusammenhang mit diesen Kollaborationen haben die Siegener Gruppen erhebliche Drittmittel eingeworben, die eine langfristige Perspektive für die Mitarbeit an diesen Experimenten sichern.

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Die Arbeitsgruppe Festkörperphysik beschäftigt sich mit der Aufklärung der strukturellen Ursachen physikalischer Effekte. Das betrifft zum einen technisch bereits genutzte Phänomene, wie den piezoelektrischen Effekt, dessen Ursachen auf atomarer Längenskala nur unzureichend bekannt sind. Zum anderen sind das Ordnungsphänomene an Grenzflächen, die neue Anwendungsfelder in der Mikro- und Optoelektronik erwarten lassen. Dazu gehört z. B. die lichtinduzierte Bildung von Oberflächen-Relief-Gittern in Polymeren, woraus man maßgeschneiderte Monochromatoren herstellen oder Informationen verschlüsselt speichern kann. Weiterhin gehören dazu Halbleiter-Oberflächen, die sich nach Ionenbeschuss spontan zu Oberflächengittern organisieren. Dieser Effekt ist für die Halbleitertechnologie bedeutsam. Schließlich lassen sich alle diese Oberflächengitter als Template für die Abscheidung von Kolloiden und anderen Nanoteilchen aus der Halbleiterphysik oder der Biologie nutzen. Ein Beispiel dafür ist die Herstellung von dreidimensionalen „Kristallen“ als Beugungsgitter für sichtbares Licht oder der Aufbau von polymeren Farbdisplays.

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In der Arbeitsgruppe Röntgenphysik werden Fragestellungen aus der Festkörperphysik mithilfe von Synchrotronstrahlung aus beschleunigergetriebenen Lichtquellen (Speicherringe und Freie Elektronen Laser) untersucht. Dazu werden Experimente an Großforschungsanlagen wie DESY, Hamburg, der European Synchrotron Radiation Facility ESRF in Grenoble oder dem European XFEL in Schenefeld durchgeführt. Die Forschung in der Arbeitsgruppe konzentriert sich momentan auf drei Kerngebiete: (1) Die Dynamik weicher Materie, z.B. von Proteinen bei Phasenübergängen. Die ist insbesondere für das Verständnis von Proteinlösungen und ihrer Veränderung im biologischen Kontext von Interesse. (2) Die ultraschnelle Dynamik in magnetischen Systemen, die durch ultrakurze Lichtpulse erzeugt wird und (3) die ultraschnelle Wechselwirkung von Materie mit extrem starken Laserpulsen. Hier geht es um die Untersuchung von Plasmawellen, extremen Magnetfelder und andere räumliche Strukturbildungen, die auf einer Skala von Nanometern vermutet werden, wenn ein extrem intensiver Laserpuls auf Materie trifft.

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Das Laboratorium für Nano-Optik umfasst experimentelle wie auch theoretische Forschungsaktivitäten innerhalb der Gebiete der Quanten-Nano-Optik, Nano Spektroskopie und der Nano Sensorik in enger Zusammenarbeit mit lokalen, nationalen und internationalen Forschungsgruppen. Die Gruppe untersucht Licht jenseits der Diffraktionsgrenze und die Wechselwirkung mit Materie im Nanobereich. Besonders interessant ist es dabei einzelne Quantensysteme zu untersuchen und Quantenphänomene zu erforschen, die im Sub-Wellenlängenbereich auftreten. Bei der Beantwortung fundamentaler Fragen in Bezug auf Licht, Materie und deren Interaktion können die Erkenntnisse zur Entwicklung von Geräten wie etwa neuartigen Lichtquellen, Sensoren oder funktionalen Materialien führen.

In der Arbeitsgruppe Experimentelle Nanophysik (im Aufbau) werden ultradünne 2D-Materialien mit Methoden der Oberflächenforschung präpariert und charakterisiert. Ausgehend vom prototypischen Graphen (Physiknobelpreis 2010), das aus einer monoatomaren Schicht Kohlenstoff besteht, sind in den letzten Jahren zahlreiche weitere Mitglieder dieser Materialklasse entdeckt worden. expnanoTheoretisch sind sogar einige hundert verschiedene Materialien möglich, von denen allerdings nur sehr wenige bereits synthetisiert werden konnten. Unsere wichtigste Untersuchungsmethode ist die Rastertunnelmikroskopie (STM), mit der atomare Auflösung erreicht werden kann. Wir präparieren fortgeschrittene 2D-Materialien wie Komposite aus Graphen und hexagonalem Bornitrit oder ultradünne Halbleiter wie MoS2 unter genau kontrollierten Bedingungen, und modifizieren diese Schichten gezielt, um z. B. eine Dotierung zu bewirken oder die Wechselwirkung mit potenziell störenden Gasen aus der Umgebung zu untersuchen. In den letzten Jahren konnten wir so unter anderem zeigen, dass man Elektronen in Quantenpunkten aus Graphen einsperren kann, in welcher Form Graphen durch den Beschuss mit energetischen Ionen beschädigt wird, und wie es Fremdatome schaffen, zwischen 2D-Materialien und ihre Unterlage zu kriechen (Interkalation).