Physik

„Energiewandlung“ und „Energietransport“ sind die Schlagwörter, die für die Forschung in der AG (Arbeitsgruppe) Wolf charakteristisch sind. Hier sucht die Theoretische Physik die Nähe zur Anwendung und zu den Ingenieurwissenschaften.
Beispiel Thermoelektrik: Materialien, mit ­denen man kostengünstig und umweltverträglich aus Temperaturunterschieden elektrischen Strom gewinnen kann, müssen eine geeignete Mikrostruktur haben. Diese ist oft genauso wichtig wie die chemische Zusammensetzung, weil sie die thermoelektrischen Transportkoeffizienten beeinflusst.
Beispiel magnetische Reibung: Wird eine magnetische Sonde, die eine ferromagnetische Oberfläche abrastert, abgebremst, indem sie ­kinetische Energie in magnetische Anregungsenergie umwandelt? Die Antwort lautet „ja“. Diese Reibungskraft ist im Allgemeinen geschwindigkeitsabhängig, und dazu trägt auch die magnetische Wirbelschleppe bei, die eine schnell bewegte Sonde hinter sich her zieht. Für Überraschung sorgte das Ergebnis, dass die Reibung unter bestimmten Bedingungen magnetische Ordnung hervorrufen kann.
Beispiel Ohmsches Gesetz: In Nanostrukturen bei sehr niedrigen Temperaturen gilt das Ohmsche Gesetz nicht. Wie es bei höheren Temperaturen durch Quantendekohärenz zustande kommt, wurde mit Hilfe eines ganz neu entwickelten Modellierungskonzepts analysiert.
Weitere Forschungsthemen aus der AG Wolf sind Elektromigration, das heißt die Drift von Atomen aufgrund eines elektrischen Stroms sowie Scherlokalisierung und elastisches Verhalten granularer Materie.
Wendet man die Quantenphysik, die den ­Mikrokosmos perfekt beschreibt, nicht auf Atome und Lichtteilchen an, sondern auf greifbare Objekte, so führt sie zu Vorhersagen, die unsere „klassische“ Alltagserfahrung auf den Kopf stellen. Ein und derselbe Gegenstand sollte sich dann gleichzeitig an mehreren Orten befinden können, und in seinem Verhalten auch dadurch bestimmt werden, ob man ihn beobachtet oder nicht. Die Arbeitsgruppe von Prof. Klaus Hornberger erforscht Systeme, die im Übergangsbereich zwischen dem Quantenregime und der klassischen Physik liegen. Speziell untersucht sie im Rahmen der Theorie offener Quantensysteme, inwieweit sich die Entstehung klassischer physikalischer Eigenschaften und Gesetzmäßigkeiten verstehen lässt, wenn man die Quantentheorie als universell gültig annimmt.
Solche Fragen lassen sich konkret studieren, indem man die Dynamik immer größerer Moleküle in der Wechselwirkung mit ihrer natürlichen Umgebung betrachtet. Die zunehmende Komplexität solcher Makromoleküle macht eine vollständig mikroskopische Beschreibung praktisch unmöglich, und erzwingt es, die allgemeinen Prinzipien und Mechanismen zu identifizieren, die den quanten-klassischen Übergang bestimmen. Parallel dazu werden experimentell realisierbare Vorschläge ausgearbeitet, die den Grenzbereich zwischen quantenmechanischem Verhalten und der klassischen Physik ausloten und den Nachweis von Quantenphänomenen auf bisher unerforschten Skalen ermöglichen. Dazu gehört der Beweis der Wellennatur ultra-massiver Teilchen, etwa von Metallclustern, durch spezielle Nahfeld-Interferenzeffekte, sowie Vorschläge zum Nachweis von Verschränkung, also von „spukhafter Fernwechselwirkung“, in den Eigenschaften mesoskopischer Systeme.
Theoretische Aspekte bei der Herstellung von Halbleiter-Nanostrukturen wurden in der Arbeitsgruppe von Prof. Peter Kratzer untersucht. Dabei geht es um die Aufklärung der Elementarprozesse auf atomare Ebene, die bei der Abscheidung von kristallinen Materialien aus der Gasphase ablaufen. Mit Hilfe eines Gold-Nanopartikels können beispielsweise Nanodrähte aus Galliumarsenid auf einer Unterlage aufgewachsen werden. In der Arbeitsgruppe konnten durch Berechnungen gezeigt werden, dass eine wesentliche Funktion der Goldpartikel darin besteht, Arsen-Moleküle aus der Gasphase aufzufangen. Diese chemische Reaktionsfähigkeit ist überraschend, wenn man bedenkt, dass Gold ein Edelmetall ist; die Arbeitsgruppe fand allerdings, dass in die Gold-Oberfläche eingebaute Gallium-Atome beim Festhalten des Arsens mithelfen. Die Untersuchungen schlagen eine Brücke zwischen Halbleiterphysik, Chemie und Materialwissenschaften, und präzisieren, in welcher Weise Goldpartikel beim Kristallwachstum als Katalysator wirken, wobei bekannte Prinzipien aus der Chemie auch hier Gültigkeit behalten. Mögliche Anwendungen der Halbleiter-Nanodrähte liegen zum Beispiel im Bereich von Solarzellen und werden innerhalb von CENIDE verfolgt.
Nanomagnete ermöglichen heute die fortschrittliche Datenspeicherung, dienen als ­Kontrastmittel bei der MRT-Untersuchung und werden für Hyperthermie-Behandlungen bei Krebspatienten eingesetzt. Dies sind nur einige Beispiele der Einsatzmöglichkeiten, doch machen sie bereits deutlich, dass bei so vielfältigen Anwendungen ebenso unterschiedliche Eigenschaften der Nanomagnete gefragt sind: Für die Datenspeicherung in Computern müssen die Nano­magnete zum Beispiel fest in eine Richtung ausgerichtet bleiben, um Daten für lange Zeit speichern zu können. Für die hyperthermische Behandlung von Krebspatienten wiederum braucht man Nanomagnete, die sich ganz leicht umpolen lassen. Für die Behandlung bringt man die winzigen Partikel direkt in den Tumor ein und ändert durch Magnetfelder von außen in schneller ­Geschwindigkeit ihre Magnetisierungsrichtung. Dadurch erzeugen die Nanomagnete Hitze, die die umliegenden Krebszellen lokal zerstört.
In Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen von den Experimentalphysikern Prof. Heiko Wende und Prof. Michael Farle sowie dem Theoretischen Physiker Prof. Peter Entel wurden nun konkrete Regeln definiert, mit denen es möglich ist, schon bei der Herstellung der Nanomagnete deren Eigenschaften genau zu bestimmen. Dazu haben die Arbeitsgruppen von Prof. Wende und Prof. Farle die Nanopartikel mit unterschiedlichen Metallen ummantelt und anschließend deren Effekt auf die magnetischen Eigenschaften der innenliegenden Partikel gemessen. Um möglichst aussagekräftige, detaillierte Messwerte zu erhalten, haben die Forscher die Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II vom Helmholtz-Zentrum Berlin eingesetzt. Die dadurch erzeugten hochbrillanten Röntgenstrahlen lassen Rückschlüsse auf die ­magnetischen Eigenschaften der Probe zu.
Dr. Carolin Antoniak, Mitarbeiterin der Arbeitsgruppe Wende, koordinierte diese Messungen und brachte deren Analyse voran. Durch diese Messungen konnte die verschiedenen Magnetisierungstypen unterschieden werden. Parallel dazu hat Dr. Markus Gruner aus der Arbeitsgruppe von Prof. Entel den Einfluss der ver­schiedenen Ummantelungsmetalle theoretisch berechnet – und zwar für jedes einzelne Atom in einem Nanomagneten. Für diese komplizierten Rechnungen nutzte der Theoretische Physiker Europas größten akademischen Forschungsrechner JUGENE am Forschungszentrum Jülich.
Beide Ansätze – experimentell und theoretisch – ergänzen sich hier ideal: Die theoretische Berechnung ist zwar extrem genau, beruht jedoch auf Annahmen. Annahmen, die im Experiment bewiesen wurden. So ist es der Forscherkoope­ration nun möglich, vorauszusagen, mit welcher Metallummantelung welche Eigenschaften zu ­erreichen sind. Das bedeutet, dass die Nanomagnete je nach Art der gewünschten Eigenschaften bereits in der Produktion maßgeschneidert ­werden können. Eine ungemeine Erleichterung für Anwender jeder Art. In der Zukunft planen die Professoren Wende und Farle, die Nanomagnete mit organischen Materialien zu ummanteln. Die visionäre Idee ist, die Eigenschaften dieser Hybridsysteme durch externe Anregung wie zum Beispiel mit Licht zu verändern.
Die Arbeitsgruppe von Prof. Marika Schleberger arbeitet daran, die Eigenschaften von Graphen kontrolliert zu verändern. Das Wundermaterial ist seit seiner Entdeckung im Jahr 2004 durch die Nobelpreisträger Andre Geim und Konstantin Novoselov für viele Forschergruppen weltweit von Interesse. Wegen seiner außerordentlichen elektronischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften werden die ultradünnen Kohlenstofflagen für alle möglichen Anwendungen vorgeschlagen. Für viele dieser Anwendungen wäre es überaus nützlich, Graphen gezielt manipulieren zu können. Die AG Schleberger verfolgt dabei den Ansatz, energiereiche Teilchenstrahlen zu benutzen. Mit dieser Technik ist es der Gruppe gelungen, eine ganze Reihe von Modifikationen zu realisieren, wie beispielsweise das Einbringen von Fehlstellen und Fremdatomen in das Kristallgitter, aber auch das Falten von Graphen. Die Graphen-Origamis sind dabei nicht nur besonders ästhetische Nanoobjekte, sondern eignen sich vielleicht auch für Anwendungen, da sie ganz besondere Transporteigenschaften aufweisen sollen.   
In der Arbeitsgruppe von Prof. Rolf Möller werden Vorgänge an Oberflächen mit höchster räumlicher Auflösung untersucht, so dass die einzelnen Atome und Moleküle und deren Eigenschaften sichtbar werden. In Hinblick auf die Entwicklung zukünftiger elektronischer Bauteile wird zum Beispiel der Stromtransport durch kleinste Strukturen analysiert. So konnten für eine Silberschicht auf Silizium (Si(111)--Ag) als elementare Ursache für den Ohmschen Widerstand einzelne atomare Stufen identifiziert werden. In einem anderen Experiment wurde der so genannte „ballistische“ Transport, das heißt ohne nennenswerten Energieverlust, von Elektronen durch einzelne organische Moleküle studiert. Dabei zeigen sich innerhalb eines Moleküls ­Variationen der Transportkanäle. Unter anderen Bedingungen wird beim Transport von Elektronen durch ein Kupfer-Phthalocyanin Molekül dieses so angeregt, dass es seine Position auf einer Oberfläche geringfügig ändert. Das Molekül kann zwischen zwei oder drei Positionen hin und her springen, und in dem Strom durch das Molekül treten charakteristische  Sprünge auf. In enger Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Nicolas Lorente aus Barcelona, die theoretische Berechnungen zu dem Verhalten des Moleküls auf der Oberfläche durchgeführt hat, konnten diese Experimente erklärt werden.
Die Gruppe um Prof. Michael Horn-von Hoegen beschäfigt sich mit dem Wachstum dünnster kristalliner und epitaktischer Schichten. So wurde die Gitterausdehnung von Graphen auf einem Iridium-Substrat mit einer Genauigkeit 1/3000 des Atomabstandes bestimmt, auch mit der ultraschnellen Dynamik von Elektronen und Atomen an Oberflächen. Die Elektronendynamik wird in einem direkt abbildenden Photoelektronenemissionsmikroiskop mit Femtosekundens-Zeitauflösung und einer Phasenstabilität von unter 20 Attosekunden sichtbar gemacht: Die Bewegung eines Plasmons, das sich mit halber Lichtgeschwindigkeit durch ein nur 10 µm großes Silberpartikel bewegt, kann mit extremer Zeitlupe in einem nur 8 Femtosekunden langen Film verfolgt werden! Eine solche elektronische Anregung wird innerhalb von einer Pokosekunde auf die Atome des Kristallgitters übertragen, die sich daraufhin bewegen und beispielsweise einen Phasenübergang durchmachen. Diese strukturelle Änderung wird mit ultraschneller Elektronenbeugung an Oberflächen studiert – ein weltweit einmaliges Experiment, das in den letzten zwei Jahren zu Aufsehen erregenden Ergebnissen geführt hat.
Ultraschnelle Phänomene an Festkörpern und deren Grenzflächen werden in der Arbeitsgruppe Bovensiepen mit Femtosekunden-zeitaufgelösten Experimenten untersucht. Hierzu werden pump-probe Verfahren der Elektronen- und Röntgenspektroskopie, der Beugung und der nicht-linearen Optik in Kombination mit Kurzpuls-Lasersystemen eingesetzt. Im Fokus des Interesses stehen schnelle Änderungen der elektronischen und atomaren Struktur, die direkt in der Zeitdomäne untersucht wird. Ziel ist es, die mikroskopischen Wechselwirkungen und die Dynamik elementarer Anregungen zu verstehen. Die Arbeiten in der Arbeitsgruppe behandeln zum Beispiel die Relaxation angeregter Ladungsträger in Eisen-basierten Supraleitern. So konnte gezeigt werden, dass die magnetischen Eigenschaften dieser Materialen, welche durch die Elektronen bestimmt werden, zu einer deutlich langsameren Relaxation der angeregten Elektronen als der „unbeteiligten“ Löcher führen. Weitere Arbeiten in Kooperation unter anderem mit Wissenschaftlern des SLAC National Accelerator Lab. und des Lawrence Livermore National Lab. beschäftigten sich mit der Gitterdynamik in ferroelektrischen Materialien und mit schnellen Ordnungs-Unordnungs-Übergängen (Schmelzen/Plasmabildung) in Kohlenstoff, welche durch die Bestrahlung mit intensiven Röntgenimpulsen hervorgerufen werden. Im Halbmetall Wismut konnte in der Arbeitsgruppe durch Femtosekunden-Laserbestrahlung eine direkte licht-induzierte Anregung des Kristallgitters, die bis zu 150 ps lang erhalten bleibt, beobachtet werden.
Planetenentstehung steht im Zentrum der Arbeiten von Prof. Gerhard Wurm. Weit mehr als 800 Extrasolaren Planeten wurden in den letzten Jahren entdeckt. Wie sie – und unser eigenes Sonnensystem – entstanden sind, ist eine der aktuellsten Fragen der modernen Astrophysik. Duisburg ist dabei einer der wenigen Orte auf der Welt, in denen die Vorgänge des Wachstums von Planeten im Labor untersucht werden. Experimentiell – erdgebunden, auf Parabelflügen und im Fallturm – wird im Detail untersucht, wie aus Mikrometerpartikeln größere Körper wachsen. Es wurde zum Beispiel gefunden, dass Wachstum von Partikeln bei hohen Geschwindigkeiten von 180 km/h möglich ist. Dies bietet derzeit die experimentelle Grundlage für die Erklärung, wie man in den ersten Schritten von Staub bis zu km-Größe (Planetesimalen) kommt. Weitere Forschungsfelder sind die Wechselwirkung der Strahlung eines Sterns (oder der Sonne) mit kleinen Körpern aber auch der Oberfläche des Mars, wo die Arbeiten Erklärungen für bislang rätselhafte Beobachtung bieten, beispielsweise die Existenz von Planetenum­spannenden Staubstürmen auf dem Mars. Um Studenten auch den Anschluss an die beobachtenden Astronomie zu erlauben wurde ein 14’’ Teleskop auf dem Dach der Universität installiert.
Die Forschung in der Didaktik der Physik beschreibt und erklärt unter anderem für das Fach spezifische Lehr- und Lernprozesse in der Interaktion von Lehrpersonen und Schülerinnen und Schülern aller Schulformen von der Primarstufe bis zur Universität. Sie untersucht und optimiert Unterrichtsprozesse, und sie entwickelt Instrumente zur Qualitätsentwicklung für den Physikunterricht und die Ausbildung von Physiklehrenden.
Der Sprecher der DFG-Forschergruppe 511, Prof. Hans E. Fischer, und seine Arbeitsgruppe bearbeiten mit Projekten der Forschergruppe und weiteren DFG-Projekten die Messung und Modellierung von Physikkompetenzen in Mittel- und Oberstufe, um damit Vorhersagen über die Wirkung unterrichtlicher Maßnahmen machen zu können. In Projekten unter Förderlinien des BMBF wird der Zusammenhang zwischen pro­fessionellem Wissen von Lehrkräften und ihrem Handeln im Unterricht untersucht, um daraus Schlussfolgerungen für universitäre Inhalte der Lehrerausbildung zu ziehen. Die Unterschiede im Unterricht finnischer und deutscher Lehr­personen werden analysiert, um den Erfolg der finnischen Schülerinnen und Schüler bei PISA besser zu verstehen, damit Physikunterricht in Deutschland gegebenenfalls optimiert werden kann.
Die Arbeitsgruppe von Prof. Heike Theyßen befasst sich unter anderem mit experimentellen Fähigkeiten von Schülerinnen und Schülern. ­Experimentelle Fähigkeiten werden bislang in großflächigen Leistungserhebungen, beispielsweise im Rahmen von TIMSS und PISA, meist nur mit schriftlichen Verfahren erhoben, die die handlungsorientierten Kompetenzen nicht abbilden können. In einem Verbundprojekt, das vom BMBF gefördert wird, wird ein PC-basiertes Testinstrument entwickelt, mit dem es möglich sein soll, handlungsorientierte experimentelle Fähigkeiten auch in großflächigen Leistungserhebungen zu erfassen.