Physik der Kondensierten Materie

Wenn Atome sich zusammen tun, wird es interessant. Grundlagenforschung an Festkörperelementen, Nanostrukturen und neuen Materialien mit überraschenden Eigenschaften treffen auf Anwedungen wie Laser, Solarzellen, superstarke Magnete oder Biosensoren.

Herstellung von Computerchips im ZNN Computerchips von übermorgen werden voraussichtlich mit Strukturen arbeiten, die nur noch wenige Atome umfassen. Das erfordert einerseits neue Materialien und Herstellungsmethoden, andererseits aber auch einen neuen Blick auf die Vorgänge, die im Halbleiter ablaufen. Alexander Holleitner und sein Team untersuchen diese Prozesse schon heute. Bild: TUM/Eckert. Der Forschungsbereich Kondensierte Materie steht für eines der reichhaltigsten Gebiete der Physik. Im Zentrum des Interesses steht eine Palette von faszinierenden Phänomenen, die durch das komplexe Zusammenspiel und die räumliche Organisation einer Vielzahl von atomaren oder molekularen Konstituenten bestimmt werden. Das Verständnis und die Kontrolle der untersuchten Materialsysteme, Grenzflächen und Nanostrukturen stellt höchste Ansprüche an die Experimentierkunst sowie die theoretische Beschreibung. Mit dem gewonnenen Wissen werden insbesondere neuartige Eigenschaften für massgeschneiderte Funktionsmaterialien und Bauelemente erschlossen.

Sprecher des Forschungsbereiches ist Christian Pfleiderer.

Phänomenologie

Arbeitsgruppen: Abstreiter - Amann - Bandarenka - Barth - Böni - Brandt - Feulner - Finley - Garrido - Gross - Grundler - Holleitner - Knap - Krischer - Kienberger - Müller-Buschbaum - Papadakis - Pereira - Petry - Pfleiderer - Stutzmann - Vogl - Zwerger
Spinkristall aus magnetischen Wirbelfäden Spinkristall aus magnetischen Wirbelfäden. Bild: TUM.PH/Pfleiderer Lab. Die Physik der kondensierten Materie befasst sich mit der Ausprägung von Naturgesetzen in Objekten deren Bestandteile kontinuierlich in Berührung sind und damit einer direkten Wechselwirkung unterliegen. Dies umfasst insbesondere die Beschreibung von komplexen Systemen, bei denen aufgrund der grossen Anzahl von Atomen und Elektronen eigentümliche Phänomene zum Ausdruck kommen. Das wissenschaftliche Spektrum reicht dabei von fundamentalen Fragen zu den Bausteinen und Symmetrien von Stoffen bis hin zur Lösung technischer Herausforderungen auf der Basis neuartiger Effekte. Nicht ohne Grund sind viele Epochen der Menschheit nach bestimmten Materialien benannt. Für das 'Silizium-Zeitalter' bildete beispielsweise die Erforschung von Halbleitereigenschaften die Basis für die mikroelektronische Revolution. Vom Standpunkt des Physikers bietet das Gebiet der kondensierten Materie eine Fülle von Paradebeispielen für sogenannte kooperative Vielteilchensysteme. In diesen führen die kollektiven Eigenschaften von Systemen wechselwirkender Atome und Moleküle zu besonderen elektrischen, magnetischen, optischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften, die sich nicht einfach vorhersagen lassen und deren Beschreibung spezielle Konzepte erfordert. So beschäftigen sich die Forschungsaktivitäten am Physik-Department beispielsweise mit Selbstordnungsphänomenen und den elektrochemischen Eigenschaften von Grenzflächen, mmagnetischen Erscheinungen sowie makroskopischen Quantenphänomenen wie Supraleitung in Volumenmaterialien und nanoskaligen Systemen, oder auch Kohärenzeffekten in Festkörperquantensystemen.

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Funktionelle Materialien

Arbeitsgruppen: Abstreiter - Amann - Bandarenka - Barth - Böni - Brandt - Feulner - Finley - Garrido - Gross - Grundler - Holleitner - Knap - Krischer - Kienberger - Müller-Buschbaum - Papadakis - Pereira - Petry - Pfleiderer - Stutzmann - Vogl - Zwerger
Quantenpunkt aus Indium-Arsenid auf einer Gallium-Arsenid-Oberfläche Quantenpunkt aus Indium-Arsenid auf einer Gallium-Arsenid-Oberfläche. Die Konversion von Licht zu Elektronen kann hier für Anwendungen in der Informationstechnologie sowie den Energiewissenschaften untersucht und kontrolliert werden. Bild: TUM.PH/Finley Lab. Die Funktionalität von Materialien wird durch die Organisation der einzelnen Atome und dem Wechselspiel der Elektronen im Vielteilchensystem bestimmt. Sowohl für die Grundlagenforschung als auch für technologische Anwendungen ist es daher essenziell, die räumliche Anordnung der Atome auf makroskopischen Längenskalen sowie die intermateriellen Grenzflächen und die Materialoberflächen auf der atomaren Skala gezielt kontrollieren und manipulieren zu können. Dies gilt gleichermaßen für Übergangsmetalle und oxidische Verbindungen, für seltene Erden, für Multi-Ferroika sowie für Halbleitermaterialien wie Si und GaAs und deren Hetero- und Nanostrukturen. Darüber hinaus bieten Hybridarchitekturen aus kristallinen und weichen sowie aus organischen und anorganischen Materialien die Möglichkeit, die physikalischen Eigenschaften von unterschiedlichen Stoffen gezielt zu kombinieren und dabei wiederum neuartige Funktionalitäten zu generieren. Die Anwendungen von funktionellen Materialien reichen von verschiedenartigsten Sensoren und Detektoren über photovoltaische und katalytische Zellen für die Energiekonversion und Speicherung bis hin zu metallischen, supraleitenden, magnetischen, spintronischen und halbleiterbasierten Schaltkreisen für die Informations- und Quanteninformationstechnologie.

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Methoden und Instrumente

Arbeitsgruppen: Abstreiter - Amann - Bandarenka - Barth - Böni - Brandt - Feulner - Finley - Garrido - Gross - Grundler - Holleitner - Knap - Krischer - Kienberger - Müller-Buschbaum - Papadakis - Pereira - Petry - Pfleiderer - Stutzmann - Vogl - Zwerger
Blick in das Reaktorbecken des FRM II Blick in das Reaktorbecken, das Herzstück der Münchener Neutronenforschungsquelle FRM II: Cherenkov-Licht ist als blaues Leuchten im Wasser zusehen. Die Entwicklung neuartiger Herstellungs- und Messmethoden sowie Instrumentierung ist der Schlüssel zu neuen und aufregenden Experimenten. Innovationen in diesen Gebieten liefern einen Beitrag zu ungelösten Problemen hinsichtlich der Natur der kondensierten Materie und können sogar ganz neuartige Fragestellungen aufwerfen. Am Physik-Department der TUM wird eine sehr breite methodische Palette von herausragender Instrumentierung für die Festkörperphysik angeboten und konsequent aktualisiert und ausgebaut. Die Palette umfasst zum Beispiel Laborexperimente mit hochintensiven Laserstrahlen, Messverfahren bei ultratiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern, die Abbildung von Oberflächen auf atomarer Skala, die Herstellung von maßgeschneiderten Nanostrukturen mit Hilfe modernster Lithographietechniken oder spektroskopische Methoden zur Untersuchung von Transportphänomenen in Halbleiternanostrukturen. Weiterhin steht mit der Forschungs-Neutronenquelle FRM II ein einmaliger Park an Instrumenten rund um die Nutzung von Neutronen zur Verfügung. Diese teilweise einzigartige Infrastruktur umfasst modernste Streumethoden aber auch hochauflösende Tomographie und zeitaufgelöste Radiographie mit Neutronen. Darüber hinaus verlangt das umfassende Verständnis der kondensierten Materie die Entwicklung ausgefeilter Methoden zur theoretischen Beschreibung und Modellierung.

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Kondensierte Materie

Wenn Atome sich zusammen tun, wird es interessant: Grundlagenforschung an Festkörperelementen, Nanostrukturen und neuen Materialien mit überraschenden Eigenschaften treffen auf innovative Anwendungen.

Kern-, Teilchen-, Astrophysik

Ziel der Forschung ist das Verständnis unserer Welt auf subatomarem Niveau, von den Atomkernen im Zentrum der Atome bis hin zu den elementarsten Bausteinen unserer Welt.

Biophysik

Biologische Systeme, vom Protein bis hin zu lebenden Zellen und deren Verbänden, gehorchen physikalischen Prinzipien. Unser Forschungsbereich Biophysik ist deutschlandweit einer der größten Zusammenschlüsse in diesem Bereich.