Phänomenologie

Beide, die Grundlagenforschung als auch die Angewandte Forschung in der kondensierten Materie, sind am Physik-Department durch international führende Arbeitsgruppen breit vertreten. Die traditionelle Festkörperphysik beschäftigt sich dabei mit der Suche nach Phänomenen, die durch die Wechselwirkung der Elektronen untereinander und mit dem Kristallgitter hervorgerufen werden. Magnetismus und Supraleitung oder der Quanten-Hall Effekt sind die bekanntesten und teilweise immer noch unverstanden Beispiele.

Links: Neutronendiffraktogramm des äußeren Magnetfelds in einem Typ 2 Supraleiter; Mitte: Ferromagnetische Bereiche (blau) in einer Legierung; Rechts: Wechselwirkung eines supraleitenden Quantenschaltkreises mit einem Mikrowellenphoton.

Die Wechselwirkungen der Elektronen führen insbesondere zu einer Vielzahl neuartiger Eigenschaften wie ungewöhnlichem metallischen und isolierenden Verhalten. Die kollektiven Zustände der Elektronen im Festkörper stehen dabei häufig in engem Zusammenhang mit fundamentalen Fragen der Quantenfeldtheorie und der Kern- und Teilchenphysik wie der Existenz von Teilchen mit gebrochenzahliger Ladung, magnetischen Monopolen oder dem Higgs Teilchen. Sie haben in jüngster Zeit weiterhin zur Entwicklung eines neuen Teilgebiets der Vielteilchenphysik geführt, bei dem ultrakalte Gase in optischen Gittern als Modellsysteme der Festkörperphysik dienen.

Links: Elektronische Quantenzustände in einem zwei-dimensionalen supramolekularen Kagomé-Netzwerk; Mitte: Nanophotonischer Kristall mit Bienenwabenstruktur; Rechts: Schwingungszustände in einem ferromagnetischen Ring (Durchmesser zwei µm).

Die Entwicklung äußerst raffinierter Verfahren zur Manipulation einzelner Atome ermöglicht den Zugang zu neuen Phänomenen durch das gezielte Design festkörperphysikalischer Systeme auf der Angström-Skala. Hier befasst sich die Forschung am Physik-Department mit der Suche nach neuen Konzepten zur Datenspeicherung und Datenverarbeitung durch besondere optische und mechanische Phänomene, der gezielten Schaffung neuer Funktionalitäten in speziellen Hybridsystemen aus Festkörpern und weicher Materie, mit der Realisierung besonderer thermoelektrischer Phänomene und Brennstoff- oder Solarzellen im Bereich erneuerbarer Energien, sowie der Erzeugung von Nanostrukturen mit neuartigen Elektronen-Zuständen sowie kollektiven Anregungen für Weiterentwicklungen in den Informationstechnologien. Dies steht in der Tradition die großen technischen Herausforderungen der Menschheit dadurch zu meistern, indem neue Phänomene der kondensierten Materie zur Anwendung gebracht werden.

Breiten Raum nimmt die Erforschung von Quanteneffekten in nanostrukturierten Festkörpern oder Grenzflächen ein. Durch gezieltes Maßschneidern der Materie auf der Nanometer-Skala können neuartige elektronische, magnetische oder optische Eigenschaften erzeugt werden. Das quantenkohärente Verhalten von Festkörpernanostrukturen bildet die Grundlage für die Realisierung von zukünftigen Quanteninformationssystemen.