Fachbereich Physik


Navigation und Suche der Universität Osnabrück


Hauptinhalt

Topinformationen

Führungen in die Forschungsgruppen

Während die Physik-Probestudiums bieten verschiedene Arbeitsgruppen des Fachbereichs Einblicke in ihr Forschungsgebiet und die tägliche Arbeit. 

 

Übersicht über die Forschungsgruppen im Hause

Didaktik der Physik

Experimentalphysik

Theoretische Physik

 

Vorstellung der Forschungsgruppen

Didaktik der Physik (Arbeitsgruppe Prof. Berger)

Wer sich für Physik interessiert, wem aber darüber hinaus auch die Arbeit mit Menschen und vor allem mit Kindern und Jugendlichen (am Herzen) liegt, für den ist vielleicht ein Physikstudium mit einem Lehramtsabschluss genau das Richtige. Welche Voraussetzungen sind dafür notwendig und worin unterscheidet sich die Lehramtsausbildung von einem fachphysikalischen Studium?

Diese Fragen werden im Rahmen der Führung diskutiert und beantwortet. Zudem gibt es einen kleinen Einblick in Forschungsfelder der Physikdidaktik. Sie sind sicher auch für noch Unentschlossene interessant – denn: Auch viele Fachphysikerinnen und -physiker führt es inzwischen nach ihrem Studium an eine Schule.

Nach oben

Dünne Schichten und Grenzflächen (Arbeitsgruppe Prof. Wollschläger)

Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung in der Halbleiterindustrie werden neue Verfahren und Materialien zur Herstellung von Bauteilen und Schaltungsstrukturen immer wichtiger. Die dafür essentiell wichtige Grundlagenforschung wird im universitären Bereich in der Physik und hier speziell in der Oberflächenphysik durchgeführt.

In Ultrahochvakuumkammern werden verschiedene Materialien, die neue oder verbesserte Eigenschaften aufweisen, auf Metall- oder Halbleitersubstrate aufgedampft, und deren Wachstum sowie die sich ergebenden Strukturen untersucht. Eines der hierbei verwendeten Verfahren ist die Beugung langsamer Elektronen (LEED) im Energiebereich zwischen 40eV und 200eV. Damit lassen sich Veränderungen der Morphologie, die durch Variation der Präparationsparameter hervorgerufen werden, während des Aufdampfprozesses qualitativ und quantitativ nachweisen.

Die Laborführung umfasst eine kurze Einführung in die Ultrahochvakuumtechnik und die verwendeten Messverfahren. Danach wird mithilfe des LEEDs an einer UHV-Kammer eine Messung an einem Siliziumkristall vorgenommen.

Nach oben

Elektronische Struktur (Arbeitsgruppe Dr. Küpper)

Das Grundprinzip der Elektronenspektroskopie ist der Photoeffekt. Aufgrund der elementspezifischen Bindungsenergie der Elektronen ist die Elektronenspektroskopie ein gebräuchliches Verfahren zur chemischen Analyse von Feststoffen und Gasen. Die zu untersuchende Probe wird dazu ins Vakuum gebracht und mittels monochromatischer Röntgenstrahlung angeregt. Die dabei freigesetzten Elektronen werden analysiert und geben ein Bild von der chemischen Zusammensetzung der Probe. Des Weiteren können bestimmte magnetische Eigenschaften der Probe charakterisiert werden. Damit die Elektronen den Analysator so verlustfrei wie möglich erreichen können und die Oberfläche des Materials rein bleibt, befindet sich die zu messende Probe im Ultrahochvakuum von ca. 10-9 mbar.

Die Laborführung gibt einen Einblick in Untersuchungstechniken und erläutert die Vakuum- und Analyseanlagen.

Nach oben

Elektronischer Transport (Arbeitsgruppe Dr. Carola Meyer)

Eine große Schwierigkeit bei der weiteren Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen in der Halbleiterindustrie ist die Wärme, die durch den Stromtransport entsteht. Kohlenstoffnanoröhren können hier Abhilfe schaffen, da sie durch ihre chemische Stabilität hohe Stromdichten tragen können und noch dazu über hervorragende Eigenschaften in Strom- und Wärmetransport verfügen. Des Weiteren sind sie biokompatibel und sind daher interessant für die Biosensorik. Die eindimensionale Struktur von Kohlenstoffnanoröhren ermöglicht die Erforschung von eindimensionalen Spinketten und Spinventilen zur quantenmechanischen Informationsverarbeitung.

Wir untersuchen in unserer Arbeitsgrupppe Kohlenstoffnanoröhren, die mit Molekülen funktionalisiert wurden. Dabei interessieren wir uns besonders für molekulare Wechselwirkungen mit dem Ziel Spin und molekulare Dynamik von magnetischen und biologischen Molekülen zu verstehen.

In der Laborführung wird gezeigt, wie die wenige 100 nm kleinen Kontaktstrukturen mit Lithographie hergestellt und elektronisch vermessen werden.

Nach oben

Makromolekülstruktur (Arbeitsgruppe Prof. Steinhoff)

Die Arbeitsgruppe für Makromolekülstruktur befasst sich mit der Bestimmung der Struktur und der Dynamik biologisch oder medizinisch relevanter Makromoleküle mit dem Ziel, ihre Funktion auf atomarer Ebene zu verstehen.

Besonderes Gewicht liegt dabei auf der Anwendung und der Weiterentwicklung des sehr jungen Ansatzes der ortsspezifischen Spinmarkierung in Verbindung mit der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie: Bei dieser Methode wird an eine interessierende Stelle des Makromoleküls ein kleines Molekül mit einem magnetischen Moment gebunden. Über die absorbierte Energie der magnetischen Momente während der Umorientierung in einem externen, starken Magnetfeld lassen sich Rückschlüsse auf die Umgebung innerhalb des Makromoleküls ziehen.

Die Laborführung wird einen Einblick geben in die Elektronenspinresonanz (ESR) sowie in weitere interdisziplinär geprägte Verfahren der Arbeitsgruppe. Außerdem sollen typische Aufgaben und Tätigkeiten von angehenden Physikern im Rahmen von Abschlussarbeiten vorgestellt werden.

Nach oben

Metallorganische Nanostrukturen (Arbeitsgruppe Dr. Rahe)

Moderne Computer repräsentieren binäre Information "0" und "1" als elektrische Spannungen, wobei der Informationsaustausch zwischen den einzelnen Komponenten eines Computers durch den Fluss von Elektronen geschieht. Dieser Stromfluss führt aber besonders in den heutigen Prozessoren zu einer starken Wärmeentwicklung und limitiert hierdurch zunehmend die weitere Miniaturisierung.

Unsere Arbeitsgruppe entwickelt und charakterisiert Materialien, die vielversprechend für alternative Konzepte der Informationsverarbeitung sind, besonders verfolgen wir den Ansatz des sogenannten quantenzellulären Automaten. Bei diesem Ansatz wird ein binärer Zustand nicht durch den Fluss von Elektronen, sondern durch die Kopplung zwischen einzelnen Zellen mittels elektromagnetischer Felder transportiert.

Speziell untersuchen wir Synthesewege zur Herstellung von zweidimensionalen Netzwerken, die aus einer Kombination von Metallen und organischen Molekülen (sogenannten metallorganischen Verbindungen) bestehen. Die Synthese findet auf Oberflächen nichtleitender Kristalle statt um eine Funktionalität für die Informationsverarbeitung zu ermöglichen. Unsere Präparation wird vollständig im Ultrahochvakuum durchgeführt, zur Untersuchung benutzen wir hochaufgelöste Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie bei tiefen Temperaturen. Hiermit können wir die Moleküle und die Oberflächen im Realraum abbilden und Kräfte zwischen Atomen messen.

In unserer Laborführung möchten wir euch zunächst kurz den Hintergrund unserer Forschung erklären und zeigen euch dann den experimentellen Aufbau in unserem Labor. Hierbei legen wir den Fokus besonders auf die Abbildung einzelner Atome bei tiefen Temperaturen.

Nach oben

NanoScience (Arbeitsgruppe Prof. Reichling)

Bei der Untersuchung von Nanostrukturen wird die Rasterkraftmikroskopie eingesetzt. Dabei werden Wechselwirkungskräfte zur Abbildung atomarer Strukturen ausgenutzt wie z. B. die anziehenden van-der-Waals-Kräfte oder die abstoßenden Coulombschen Wechselwirkungskräfte. Wird ein schwingender Biegebalken mit scharfer Spitze in die Nähe einer Probenoberfläche gebracht, führt diese Kraftwirkung zwischen Spitze und Probe zu einer Änderung der Resonanzfrequenz. Aus der Änderung der Schwingungsfrequenz kann auf Art und Stärke der Wechselwirkung zurückgeschlossen und so ein Bild der Oberfläche erstellt werden. Weiterhin ist es möglich, Oberflächen mit der Spitze punktgenau zu manipulieren.

In der Laborführung wird die Technik der Rasterkraftmikroskopie erläutert sowie ein Einblick in die Forschungsarbeit am Rasterkraftmikroskop gegeben.

Nach oben

Ultrakurzzeitphysik (Arbeitsgruppe Prof. Imlau)

Optische Technologien, wie DVD-Player, LCD-Displays, Laserpointer, Leuchtdioden u.v.m. sind in unseren Alltag sehr verbreitet. Diese Technologien nutzen eine Reihe physikalischer Phänomene, die speziell in optischen Materialien wie beispielsweise in Gläsern, Kristallen und Flüssigkristallen oder Polymeren, beobachtet werden. Im Hinblick auf neue optische Technologien werden in unseren Laboratorien verschiedene - meist noch unverstandene - physikalische Phänomene in optischen Materialien und die optischen Eigenschaften der Materialien selbst untersucht.

Die Laborführung beginnt mit einer kurzen Einführung in die Welt der optischen Technologien. Die experimentelle Vorgehensweise bei der Erforschung neuer Phänomene wird in unseren Laser-Laboratorien an verschiedenen Aufbauten demonstriert. Im Mittelpunkt der Führung stehen optische Materialien für Hochleistungslasersysteme, für holographische Massenspeicher, für Telekommunikationsanwendungen, für Weißlicht-Leuchtdioden, aber auch für leistungsstarke CPUs der nächsten Generation.

Nach oben

Quantenspintronik (Arbeitsgruppe Prof. Harneit)

Zur vollständigen Beschreibung von Quantenobjekten – wie Elektronen oder Atomkernen – benötigt man neben deren Masse und elektrischer Ladung einen weiteren Parameter: den Spin. Dieser lässt sich formal als Drehimpuls beschreiben und ist mit einem magnetischen Moment verknüpft. Dessen Wechselwirkung sowohl mit von außen angelegten als auch in der Probe gegebenen Magnetfeldern bildet die Grundlage experimenteller Verfahren, um weitreichende Aussagen über die Struktur und die Zusammensetzung der Probe zu treffen. Diese Methode heißt Magnetresonanzspektroskopie und sie findet zum Beispiel in der medizinischen Bildgebung fruchtbare Anwendung (MRT).

Unsere Arbeitsgruppe verwendet - anders als die sonst übliche Herangehensweise – eine bestimmte Fehlstelle im Kristallgitter von Diamanten (NV--Zentrum), die ebenfalls einen resultierenden Spin besitzt und damit als ein nahezu atomar kleiner Sensor angesehen werden kann, der mittels eines Lasers ausgelesen wird. Es ist dann möglich, auch Magnetfelder einzelner Atome zu detektieren. Spezielle Moleküle, sogenannte endohedrale Fullerene, die in die Nähe des NV--Zentrums gebracht werden, könnten zudem als Quantenbit Einsatz finden.Dazu forschen wir und möchten Euch gerne Einblick in diese Arbeit geben.

In unserer Laborführung möchten wir Euch deshalb sowohl die experimentellen Aufbauten zeigen als auch die theoretischen Hintergründe näher erläutern.

Nach oben

Quantenthermodynamik (Arbeitsgruppe Prof. Gemmer)

Unser Forschungsgebiet ist die Quantenthermodynamik. Wir untersuchen Aspekte der quantenmechanischen Grundlagen der Thermodynamik - hier geht es um neuere Versuche, die Thermodynamik direkt aus der Quantenmechanik abzuleiten. Ferner beschäftigen wir uns mit Transporttheorie, bei der z. B. der Wärmetransport in eindimensionalen Quantenspinketten untersucht wird. Dazu kommen Fragestellungen der Nano-Thermodynamik: Wie groß muss ein System sein, um thermodynamisches Verhalten zu zeigen?

Die Forschungsfragen der Gruppe Quantenthermodynamik sind auf der Basis von Physik auf Gymnasialniveau teilweise schwer zugänglich. Daher unternehmen wir bei dem Besuch in der Forschungsgruppe vorrangig den Versuch skizzenartig, aber grundlegend zu erklären, was Theoretische Physik eigentlich ist; wir erläutern Ziele, Aufbau, Methoden, etc. Anschließend wird die Arbeit der Gruppe kurz in diesen Kontext eingebettet.

Nach oben

Statistische Physik (Arbeitsgruppe Prof. Maaß)

Mit den Methoden der Statistischen Physik wird das Verhalten komplexer Vielteilchensysteme unter dem Einfluss weniger und kontrollierbarer äußerer Einwirkungen (Kontrollvariablen) untersucht. Einen Forschungsschwerpunkt in der Arbeitsgruppe bilden theoretische Untersuchungen zu Ionentransportvorgängen in ungeordneten Materialien (Glas- und Polymerelektrolyten, Defektkristallen), die bei der Optimierung von Batterien, optischen Glasfasern, intelligenten Fenstern und Superkondensatoren eine Rolle spielen. Des Weiteren wird das Wachstum von Nanostrukturen auf Oberflächen erforscht, dessen Verständnis bei der Entwicklung neuer magnetischer Beschichtungen und Halbleiterelemente wichtig ist. Aktuell interessieren insbesondere Nichtgleichgewichtsprozesse, wie zum Beispiel das plastische Verformungsverhalten ungeordneter Festkörper, das Faltungsverhalten von DNA-Molekülen und vereinfachte Modelle des Proteintransports entlang von Filamenten. Einen interdisziplinären Forschungsschwerpunkt bilden statistische Analysen und Modellierungen von Herzrhythmusstörungen im Vorhof (Vorhofflimmern).

Beim Besuch in der Forschungsgruppe wird im Rahmen einer Kurzvorstellung ein Einblick in einige der Arbeitsgebiete gegeben.

Nach oben

Transport und Relaxation in Vielteilchensystemen (Arbeitsgruppe Prof. Steinigeweg)

Im Zentrum unserer Forschung stehen die Fragen: Wie entwickelt sich ein System im Laufe der Zeit? Welchen Zustand nimmt es an, wenn man nur lange genug wartet? Und wie sieht der Weg zu diesem Zustand aus? Diese Fragen sind gleichermaßen schwierig und spannend, wenn das System aus vielen Teilchen besteht und diese Teilchen miteinander wechselwirken. Eine typische Situation in der Physik. In der Quantenmechanik wird das Problem insbesondere komplex, da die Größe des Raumes, in dem Wellenfunktionen leben, exponentiell mit der Zahl der Teilchen wächst. Damit passt dieser Raum selbst für verhältnismäßig wenige Teilchen nicht mehr in den Arbeitsspeicher von modernen Supercomputern. Unsere Arbeitsgruppe geht dieses Probem konzeptionell, analytisch und numerisch an. In anderen Worten: Wir versuchen neue Lösungsstrategien zu entwickeln und setzen neben Papier und Bleistift auch Computer ein.

Da das Verständnis von Transport und Relaxation in Vielteilchensystemen Hochschulwissen (theoretische und experimentelle Physik, Mathematik und Informatik) jenseits des Gymnasialniveaus erfordert, werden die theoretischen Fragen grundlegend und skizzenartig erläutert.

Nach oben