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Katalog der UB Siegen

Forschung im Department Physik

Trotz der Tatsache, dass das Siegener Physik-Department nicht sehr groß ist, gibt es ein breites Spektrum von Forschungsaktivitäten. Die Hauptarbeitsrichtungen sind die Festkörperphysik und Quantenoptik, die Elementarteilchenphysik und die Detektorphysik. Die ersten Richtungen sind im Forschungsschwerpunkt „Struktur der Materie“ und die Detektorphysik im Schwerpunkt „Bildgebende Verfahren“ der Universität verankert.

Quantenoptik

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.

Quantenoptik Theory

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.

CERN

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. Die Astroteilchenphysik erweist sich als ein für Studierende sehr attraktives Arbeitsgebiet, was Siegen als Standort für Elementarteilchenphysik weiter stärkt. In der Vergangenheit hat sich die Zusammenarbeit zwischen den theoretischen und experimentellen Gruppen als sehr fruchtbar herausgestellt. Dies wird auch nach dem erfolgten Generationenwechsel weiter beibehalten werden.

CKM-Fit

Im Bereich der Theoretischen Physik werden deshalb Fragestellungen der phänomenologischen Elementarteilchenphysik bearbeitet, wobei eine enge Vernetzung mit den experimentellen Gruppen stattfindet. 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.

Festkörperphysik

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.

Ein großer Teil der Experimente wird an nationalen und internationalen Großforschungszentren für Synchrotronstrahlung, d. h. an der European Synchrotron Radiation Facility -ESRF - in Grenoble, dem Hamburger Synchrotronstrahlungslabor - HASYLAB - oder am Dortmunder Synchrotron - DELTA - erfolgen. Zusätzlich wollen wir die in der Arbeitsgruppe verfügbaren Messmethoden auch in den Dienst der lokalen mittelständischen Industrie stellen. Damit werden neben Themen der physikalischen Grundlagenforschung auch solche der angewandten Physik zur Bearbeitung kommen.

Zurzeit werden weitere Professuren sowohl in der Theorie als auch im Experiment besetzt, so dass eine weitere Verbreiterung der Forschungsaktivitäten des Departments erfolgen wird.