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PhysikDie Institute stellen sich vor
Fakultät fürElektrotechnik, Informationstechnik, Physik
2Inhalt Inhalt 3Institut für 4Angewandte Physik 4 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Andreas Hangleiter 4Institut für 5Angewandte Physik 5 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Georg Nachtwei 5Institut für 6Geophysik und Extraterrestrische Physik 6 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Jürgen Blum 6Institut für 7Geophysik und Extraterrestrische Physik 7 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Karl-Heinz-Glaßmeier 7Institut für 8Geophysik und Extraterrestrische Physik 8 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Andreas Hördt 8Institut für 9Mathematische Physik 9 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Patrik Recher 9Institut für 10Mathematische Physik 10 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Gertrud Zwicknagl 10Institut für 11Physik der Kondensierten Materie 11 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Peter Lemmens 11Institut für 12Physik der Kondensierten Materie 12 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Jochen Litterst 12Institut für 13Physik der Kondensierten Materie 13 Arbeitsgruppe Priv.-Doz. Dr. Dirk Menzel 13Institut für 14Physik der Kondensierten Materie 14 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Stefan Süllow 14Institut für 15Theoretische Physik 15 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Wolfram Brenig 15Institut für 16Theoretische Physik 16 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Uwe Motschmann 16Das Studienangebot der Physik 17an der TU Braunschweig 17
Die Fakultät für Elektrotechnik, Informationstechnik, Physik
Die Physik an der TU Braunschweig ist Bestandteil der Fakul-tät für Elektrotechnik, Informationstechnik, Physik. Zur Fa-kultät gehören insgesamt 15 Institute mit mehr als 30 Profes-sorinnen und Professoren, etwa 200 wissenschaftliche Mitar-beiterinnen und Mitarbeiter (davon ca. 140 aus eingeworbe-nen Forschungsmitteln finanziert) und mehr als 100 Beschäftigte im technischen und Verwaltungsdienst. In den Studiengängen der Fakultät sind ca. 1.100 Studierende einge-schrieben, darunter Studierende aus etwa 20 ausländischen Nationen.
Die Physik-Institute Die 5 Physik-Institute mit ihren 13 Arbeitsgruppen sind räum-lich konzentriert im Physik-Zentrum, einem großzügigen Mehrzwecklabor- und Institutsgebäude. Kurze Wege begüns-tigen die sehr guten Studienbedingungen, die Studierenden auch in den Instituten und Laboren geboten werden. Profes-sorinnen und Professoren lehren und forschen dort gemein-sam mit wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbei-tern an Fragestellungen, die von Mathematischer Physik über Theoretische und Angewandte Physik bis hin zur Physik der Kondensierten Materie sowie Geophysik und Extraterrestri-scher Physik reichen. Die Arbeitsgebiete erstrecken sich von grundlegenden Fragestellungen wie „Was hält die Welt im In-nersten zusammen?“ bis hin zur Magneto sphärenphysik, die durch Experimente an Bord zahlreicher Weltraummissionen neue Erkenntnisse gewinnt. Das Forschungsgebiet „Quan-teninformation“ schafft die Grundlagen zur Entwicklung viel-versprechender neuer Technologien des 21. Jahrhunderts. Im Forschungsfeld „Quantenmaterie“ wird an Supraleitung, Ma-gnetismus und Halbleitern sowie den Grundlagen neuer funktionaler Materialien gearbeitet.
Kooperationen Enge Verbindungen unterhält die Physik der TU Braun-schweig zu zahlreichen in- und ausländischen Universitäten sowie zu vielen namhaften außeruniversitären Forschungs-einrichtungen, z.B. zur Max-Planck-Gesellschaft oder zum ETH-Rat in der Schweiz. Die beiden in Braunschweig behei-mateten Einrichtungen Physikalisch-Technische Bundesan-stalt (PTB) und Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) stehen in Forschung und Lehre in engem Kontakt mit der Fakultät für Elektrotechnik,Informationstechnik, Phy-sik. Mit der PTB, der führenden deutschen metrologischen Forschungseinrichtung, werden das Joint Optical Metrology Center (JOMC) als gemeinsames Forschungszentrum und die Braunschweig International Graduate School of Metrology (BIGSM) betrieben. Die International Max-Planck Research School (IMPRS) on „Physical Processes in the Solar System and Beyond“ wird zusammen mit dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und der Universität Göttingen angeboten. Mit dem GeoForschungsZentrum in Potsdam wird eine gemeinsame Forschungsstelle betrieben. Aus die-sen Kooperationen resultieren hochwertige Arbeitsmöglich-keiten, die den Studierenden der Fakultät unmittelbar zu Gute kommen.
Hervorragende Chancen am Arbeitsmarkt Physik-Absolventinnen und -absolventen sind gefragte Mitar-beiter. Physiker haben sehr gute Berufsaussichten. Wenn Sie von der Uni kommen, stehen ihnen alle Türen offen („Die ZEIT-Studienführer 2012/2013“). Zahlreiche Beziehungen zu Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen im In- und Ausland bestätigen den guten Ruf der TU Braunschweig und ihrer Physik-Institute.
In dieser Broschüre stellen sich die Physik-Institute der TU Braunschweig mit ihren Arbeitsgruppen vor. Wir wünschen Ihnen interessante Eindrücke und freuen unsauf Sie als persönliche/n Gesprächspartner/in und als Studierende / r der Physik.
Ihre Fakultät für Elektrotechnik, Informationstechnik, Physik Der Dekan und die Fachvertreterinnen und Fachvertreter der Physik
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Inhalt
Institut für Angewandte Physik
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Andreas Hangleiter . . . . . . 4 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Georg Nachtwei . . . . . . . . 5
Institut für Geophysik und Extraterrestrische Physik
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Jürgen Blum . . . . . . . . . . 6 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Karl-Heinz Glaßmeier . . . . . 7 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Andreas Hördt . . . . . . . . . 8
Institut für Mathematische Physik
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Patrik Recher . . . . . . . . . . 9 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Gertrud Zwicknagl . . . . . . . 10
Institut für Physik der Kondensierten Materie
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Peter Lemmens . . . . . . . . 11 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Jochen Litterst . . . . . . . . . 12 Arbeitsgruppe Priv.-Doz. Dr. Dirk Menzel . . . . . . . . 13 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Stefan Süllow . . . . . . . . . . 14
Institut für Theoretische Physik
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Wolfram Brenig . . . . . . . . 15 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Uwe Motschmann . . . . . . . 16
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Institut fürAngewandte Physik Arbeitsgruppe Prof. Dr. Andreas Hangleiter
www.iap.tu-bs.de
Fast jeder kennt heute die Materialklasse der Halbleiter als die Grundlage der modernen Mikroelektronik. Seit wenigen Jahren sind Halbleiter aber auch auf dem Weg, unsere Be-griffe von Licht und Beleuchtung zu revolutionieren! Das Institut für Angewandte Physik wurde als Institut für Technische Physik im Jahre 1946 gegründet und war von An-fang an mit vielen Forschungsarbeiten stark anwendungsori-entiert. Die Arbeitsgruppe Angewandte Halbleiterphysik be-treibt anwendungsbezogene Grundlagenforschung an mo-dernen Halbleitermaterialien und kleinsten Halbleiter-Nano-strukturen. Einen besonderen Schwerpunkt stellen Halbleiterstrukturen für die Lichterzeugung dar. Moderne Leuchtdioden können heute bereits 6-8 mal mehr weißes Licht erzeugen als eine
Transmissions-Elektronenmikroskop
Optische Spektroskopie mit Lasern
Metallorganische Gasphasen-Epitaxie: Ultradünne kristalline Schichten
Sehr helle grüne Leuchtdioden
Halogen-Glühlampe. Wir entwickeln physikalisches Verständ-nis für die Mechanismen der Lichterzeugung sowie der Ver-lustprozesse und können auf dieser Basis Materialien und Strukturen mit höchsten Lichtausbeuten herstellen. Halblei-ter-Laserdioden ermöglichen u.a. die hochdichte Speiche-rung von Daten auf DVD’s. Wir untersuchen die Eigenschaf-ten von Halbleiter-Strukturen für Laserdioden und arbeiten an der Entwicklung grüner und ultravioletter Laserdioden. Die Weiterentwicklung von elektronischen Bauelementen für hohe Temperaturen sowie von Halbleiter-Sensoren hängt ebenfalls entscheidend vom Verständnis der Eigenschaften der zugrundeliegenden Materialien ab. Wir entwickeln neue Materialien mit geringer Bandlücke und tragen durch Ver-ständnis der Oberflächen-Eigenschaften zur Lösung des kriti-schen Problems der Stabilität bei.
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Schematischer Aufbau eines THz-Germanium-Laser-Systems mit Quanten-Hall-Detektor.
www.iap.tu-bs.de
12-Tesla-Magnetsystem
In der Arbeitsgruppe Quantentransport werden neben Quan-ten-Hall-Bauelementen auch THz-Detektoren untersucht. Diese Detektoren dienen dazu, elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen um λ = 100 µm nachzuweisen. Wir fertigen solche Detektoren aus Halbleiter-Heterostrukturen (GaAs/GaAlAs und HgTe/HgCdTe und Graphen) in verschiedenen Geometrien (rechteckige Hall-Strukturen, Mäanderstrukturen und ringförmige Corbino-Strukturen). Das Material wird im Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (Stuttgart), in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (Braunschweig)
und in den Universitäten Bielefeld, Hannover und Würzburg hergestellt.
Der Vorteil dieser Quanten-Hall-Detektoren ist, dass diese sowohl sehr schnell als auch wellenlängenempfindlich sind. Wir untersuchen die Detektoren bei tiefen Temperaturen um 4 K und bei hohen Magnetfeldern bis 20 T. Ein Ziel der Unter-suchungen ist es, Arbeitsbedingungen für die Detektoren zu realisieren, die deren praktische Anwendung gestatten.
Institut fürAngewandte Physik
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Georg Nachtwei
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In Dunkelwolken wie der hier dargestellten Bok-Globule Bar-nard 68 (Photo: ESO) können Sterne ent-stehen. Die dunkle Ge-stalt und die Abschir-mung des Lichts dahinter liegender Sterne geschieht durch eine Vielzahl kleinster Staubpartikel, deren physikalische Eigen-schaften das Institut für Geophysik und ex-traterrestrische Physik untersucht.
Die Arbeitsgruppe Planetenentstehung und Kleine Körper im Sonnensystem beschäftigt sich mit der Untersuchung der Be-dingungen, unter denen sich um junge Sterne die astrono-misch beobachtbaren kleinen Staubpartikel zu größeren Kör-pern zusammenballen. Im Unterschied zu anderen Arbeits-gruppen mit diesem Thema werden am Institut für Geophy-sik und extraterrestrische Physik Experimente zur Erfor-schung des Wachstums fester Körper in jungen Planetensys-temen durchgeführt. Ein Teil dieser Versuche findet dabei unter Schwerelosigkeitsbedingungen im Fallturm Bremen, bei Parabelflügen sowie im eigenen kleinen Laborfallturm statt. Eine internationale Versuchseinrichtung zur Untersu-chung der Wechselwirkungen kosmischer und atmo sphä-rischer Partikel auf der Internationalen Raumstation ISS wird zurzeit unter Leitung des Instituts entwickelt. Drüber hinaus beschäftigt sich die Arbeitsgruppe mit den physikalischen Ei-genschaften kleiner Körper im Sonnensystem, wie Kometen, Asteroiden, Monden und Ringen. Auch hierzu werden Labor- und Schwerelosigkeitsexperimente durchgeführt.
Im Bereich der Lehre werden Vorlesungen und Seminare zur Astrophysik und Planetologie angeboten. Zusätzlich finden regelmäßig Forschungspraktika statt, bei denen die Studie-renden lernen, wie astrophysikalische Labor- und Schwerelo-sigkeitsexperimente konzipiert, aufgebaut, durchgeführt und ausgewertet werden.
Institut fürGeophysik und Extraterrestrische Physik Arbeitsgruppe Prof. Dr. Jürgen Blum
Foto links
Julie Brisset, Dokotorandin der Arbeitsgruppe Blum, bei einem Parabelflug.
Staubaggregate, die in einem Schwerelosig-keitsexperiment aus Mikropartikeln ge-wachsen sind. Die abgebildeten Ag-gregate entstanden durch mehrere haf-tende Stöße bei Ge-schwindigkeiten von wenigen cm/s und si-mulieren das Teilchen-wachstum im frühen Sonnensystem.
Mit dem Hubble Space Telecope wurden im Sternbild Orion so ge-nannte protoplanetare Scheiben gefunden. In einer solchen Scheibe entstand vor 4,6 Milli-arden Jahren auch un-ser Sonnensystem. Die Arbeitsgruppe Plane-tenentstehung be-schäftigt sich mit die-sem Prozess.
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www.igep.tu-bs.de
Institut fürGeophysik und Extraterrestrische Physik
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Karl-Heinz-Glaßmeier
Fluxgate-Magnetometersensor des Institut für Geophysik und extraterres-trische Physik auf dem Lander PHILAE der europäischen Kometenmission RO-SETTA, die 2004 gestartet wurde und 2014 den Kometen Churyumov-Gerasi-menko erreichen soll. Nachdem der Lander PHILAE die Oberfläche erreicht hat, wird ROSETTA den Kometen ein Jahr umkreisen und auf seinem Weg zur Sonne begleiten.
Polarlichter sind sichtbare Zeugen der Dynamik der Erdmagnetosphäre. Plas-mainstabilitäten im Schweig der Erdmagnetosphäre führen zu drastischen Än-derungen des Erdmagnetfeldes und der Beschleunigung von Elektronen und Protonen, die in die obere Atmosphäre ausfällen und dort Anregungsprozesse verursachen.
Die Erdmagnetosphäre als Beispiel einer Wechselwirkungsregion des Sonnen-windes mit einem Planeten. Gestaucht auf der Tagseite werden die magne-tischen Feldlinien durch verschiedene plasmaphysikalische Prozesse zu einem sehr langen, bis zu 20.000.000 Kilometer langen Magnetosphärenscheif ausge-zogen. (Foto: MPS, Katlenburg-Lindau)
Der Komet 1P/Halley im Dezember 1985. Durch bisher nicht bekannte Pro-zesse wurde der Plasmaschweif des Kometen abgetrennt und wandert in den interplanetaren Raum. (Foto: MPIA, Heidelberg)
Der Raum zwischen den Planeten ist nicht leer, sondern mit dem schnell strömenden Sonnenwind erfüllt. Die Untersu-chung der Wechselwirkung dieses interplanetaren Plasmas mit planetaren Körpern wie Kometen, Asteroiden oder den Planeten ist Thema der Arbeitsgruppe Magnetosphärenphy-sik. Experimentelle Untersuchungen, insbesondere die Ent-wicklung von Magnetfeldmessinstrumenten für Satelliten-missionen wie CLUSTER, ROSETTA, VenusExpress, THEMIS oder die Merkurmission BepiColombo sind der Ausgangs-punkt für die Analyse und theoretische Beschreibung der ma-gnetosphärischen Wechselwirkungen in der Arbeitsgruppe.
Die Arbeiten werden in intensiver Zusammenarbeit mit einer großen Zahl anderer Institute in Europa, Nordamerika und Asien durchgeführt. Im Bereich der Lehre werden Vorlesun-gen zu Fragen der allgemeinen Geophysik und Planetenphy-sik, der Kometenphysik, des Erdmagnetismus, der extrater-restrischen Plasmaphysik, Plasmaturbulenz, Datenanalysever-fahren und des Managements physikalischer Großprojekte angeboten. Im Rahmen des physikalischen und geophysika-lischen Praktikums wird ein spezieller Plasmaversuch zur Er-zeugung von Plasmakristallen angeboten.
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Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Untergrundes. Zu sehen sind die mit Kabel verbundenen Spieße, mit denen Strom in den Erdboden eingespeist wird, und die Kisten mit der Elektronik und der Stromquelle.
In der Arbeitsgruppe Angewande Geophysik entwickeln wir elektrische und magnetische Methoden, mit denen man den Untergrund, also die obersten Schichten der Erde, erkunden kann. Die Messungen kann man z.B. nutzen, um Erdöl, Erd-gas oder Erze zu finden. Wir interessieren uns besonders für Verfahren, die für die Suche nach Grundwasser und die Ab-schätzung der Gefährdung des Grundwassers durch Konta-minationen nützlich sind.
Durch Messungen des Magnetfeldes an der Erdoberfläche lassen sich wiederum Bomben oder Anti-Personenminen auf-spüren. Wir entwickeln kleine und leichte Magnetfeldsenso-ren, die z.B. an einem ferngesteuerten Zeppelin angebracht
Institut fürGeophysik und Extraterrestrische Physik Arbeitsgruppe Prof. Dr. Andreas Hördt
Ein Doktorand bei der Vorbereitung des Bohrlochmagnetometers auf dem For-schungsschiff Joides Resolution während einer Expedition im Pazifik.
Ergebnis einer elektrischen Messung: Elektrische Leitfähigkeit als Schnitt durch den Untergrund. Der Übergang von blauen zu roten Farben gibt den Grund-wasserspiegel wieder.
Der ferngesteuerte Zeppelin mit Magnetfeldsensor in der Startphase
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werden können. Auch in tiefen Forschungsbohrungen sind Magnetfeldmessungen hilfreich. Durch Bestimmung der Ma-gnetisierung der Gesteine kann man die Bewegung der Kon-tinente rekonstruieren.
In der Lehre werden neben der Physik des Erdkörpers, wo z.B. auch Erdbeben behandelt werden, alle Methoden der Angewandten Geophysik vorgestellt. Neben elektrischen und magnetischen Verfahren ist hier die Seismik zu nennen, welt-weit die wichtigste Methode bei der Suche nach Erdöl. Die Methoden werden in einem einwöchigen Geländepraktikum angewandt und eingeübt.
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Leitwert von typischen niedrigdimensionalen Nanostrukturen, welche in un-serer AG untersucht werden:
Oben: Leitwert (G) einer Kohlenstoffnanoröhre als Funktion der Spannung (V) und Temperatur (T). Die Oszillationen sind quantenmechanische Interferenzen hervorgerufen durch schwache Rückstreuung an den Kontakten.
Unten: Aharonov -Bohm Effekt in einem Graphen Ring mit einer normalleiten-den (N)- und einer supraleitenden (S)- Zuleitung zur Untersuchung der spezi-ellen Andreev Reflektion (Elektron-Loch Konversion am NS-Übergang) in Gra-phen im Kontakt mit S.
Unsere Arbeitsgruppe befasst sich theoretisch mit Phänome-nen des elektrischen Transports in niedrigdimensionalen Strukturen wie Quanten Punkten (kleine Ladungsinseln), zwei-dimensionalen Systemen wie Graphen (einschichtiges Graphit) und topologischen Isolatoren (Isolatoren mit beson-deren metallischen Oberflächenzuständen), und ein-dimensi-onalen Leitern realisiert zum Beispiel in Kohlenstoffnanoröh-ren. In solchen kleinen Nano-Strukturen spielt die Quanten-physik eine entscheidende Rolle und es gibt faszinierende Ab-weichungen vom „gewöhnlichen“ elektrischen Strom, der zum Beispiel in der Glühbirne fließt. Dieses ungewöhnliche Verhalten kann auch technisch ausgenutzt werden und kann von großer Bedeutung sein. Denken Sie nur an Computer oder Handys, welche immer kleiner werden und dabei immer mehr Datenleistung aufbringen sollten. Diese fortschreitende Miniaturisierung verlangt nach neuen Materialien und Kon-zepten der Datenübertragung.
Ein besonderes Interesse in unserer Forschung gilt dem Elek-tronenspin (intrinsischer Drehimpuls des Elektrons, mit dem ein magnetisches Moment verknüpft ist ähnlich einer Kom-passnadel welches im Magnetfeld „klassisch“ nur zwei Ein-stellungen haben kann: Spin-rauf oder Spin-runter). Wir un-tersuchen mit mathematischen Modellen basierend auf der Quantenmechanik, wie der Spin im Transport in diesen faszi-nierenden Materialien für die Übertragung von (Quanten-)In-formation genutzt, manipuliert und detektiert werden kann. Es kann also, im Gegensatz zur herkömmlichen ladungsba-sierten Elektronik, auch der Spin als tragendes Element von Information gebraucht werden. Man spricht dann auch von Spinelektronik. Da der Spin ein quantenmechanischer Frei-heitsgrad mit zwei „klassischen“ Einstellungen ist, gibt es Überlegungen, den Elektronenspin als sogenanntes Quan-tenbit für einen Quantencomputer zu nutzen. Ein Quantenbit kann auch in einer Überlagerung der klassischen logischen Zuständen 0 = Spin-rauf und 1 = Spin-runter sein. Eine sol-che Überlagerung könnte in einem Quantencomputer zur besseren Rechenleistung ausgenutzt werden. Eine solche Überlagerung zweier (oder mehrerer) Spins wird Verschrän-kung genannt und ist ebenfalls von großer Bedeutung. Wir untersuchen innerhalb eines EU-Projektes an welchem Ar-beitsgruppen (Theorie und Experiment) aus 7 europäischen Ländern beteiligt sind, wie solche verschränkte Elektronen-spins im Festkörper erzeugt und detektiert werden können.
Wir sind nicht nur national und international gut verknüpft, sondern haben auch gemeinsame Projekte mit anderen Phy-sik- und Elektrotechnikinstituten der TU Braunschweig sowie mit der PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) und in-nerhalb der NTH (Niedersächsische Technische Hochschule).
Institut fürMathematische Physik
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Patrik Recher
www.imaph.tu-bs.de
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Institut fürMathematische Physik Arbeitsgruppe Prof. Dr. Gertrud Zwicknagl
www.imaph.tu-bs.de
„Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile“ Dieser Satz gilt auch für die kondensierte Materie bei tiefen Temperaturen. Bei tiefen Temperaturen findet man neuartige Zustände der Ma-terie, deren Eigenschaften wesentlich durch die Quantennatur und die Wechselwirkung der Bausteine, der Elektronen und Atome, bestimmt sind. Zu den spektakulären Phänomenen ge-hören das Auftreten von Supraleitung, bei der elektrische Ströme ohne Verlust fließen können oder die Bildung „schwerer Elektronen“, deren Massen tausendfach erhöht und damit ver-gleichbar sind mit der von Protonen. Ganz allgemein reagieren diese unge-wöhnlichen Zustände sehr empfindlich auf äußere Einflüsse wie Druck, elektri-sche und magnetische Felder. Diese Ei-genschaft ist von großer Bedeutung für technische Anwendungen.
Die Arbeitsgruppe Vielteilchenphysik beschäftigt sich mit dem allgemeinen theoretischen Verständnis und der quantitativen Untersuchung von Viel-teilcheneffekten in quantenmechani-schen Systemen. Ein Schwerpunkt da-bei ist die Entwicklung effizienter nu-merischer Methoden und deren Um-setzung in Computerprogramme für computergestützte Materialforschung. Die numerischen Simulationen werden eingesetzt, um die Funktionalität be-kannter Stoffe zu optimieren und neue Materialien mit erwünschten Eigen-schaften zu „entwerfen“.
In der Forschung besteht enge Koope-ration mit Gruppen in Europa, den USA und Japan. Studierende der Physik ha-ben die Möglichkeit, im Rahmen von Studien-, Bachelor-, Master- und Dok-torarbeiten an den Projekten im Rah-men dieser Kooperation mitzuarbeiten.
(a) und (b) :
Identifikation der unkonventionellen A-Phase: Die theoretischen Vorhersagen (a) dienen als Orientierung für das Experiment (b).
Computer gestützte Materialentwicklung am Bei-spiel eines molekularen Magneten:
Das Molekül und seine Eigenschaften wurden 2002 theoretisch berechnet. Das Molekül wurde 2006 synthetisiert, die Vorhersagen wurden experi-mentell bestätigt.
„Verborgene Ordnung“ und Phasendiagramm des Schwere-Fermion-Supraleiters URu2Si2: Im Ma-gnetfeld treten viele neuartige, experimentell noch nicht identifizierte Zustände auf.
a) b)
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Institut fürPhysik der Kondensierten Materie
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Peter Lemmens
www.ipkm.tu-bs.de
Die Eigenschaften molekularer und elektronisch korrelierter Systeme hän-gen sehr stark von äußeren Feldern und Wechselwirkungen ab. Dies gilt besonders an Grenzflächen und auf Nanoskalen. Die starke Wechselwir-kung zwischen Licht und Materie führt zu neuen Quanteneffekten und Nicht-linearitäten. Große Effekte im Wider-stand und in den dielektrischen Kons-tanten können in Sensoren und in der Informationsspeicherung benutzt wer-den. Weiterhin sind diese Materialien relevant für Fragestellungen der Ener-giekonversion.
Die Schwerpunkte unserer Interessen liegen in den Eigenschaften und An-wendungen von Molekül-Metall-Oxid Heterostrukturen sowie neuartiger elektronischer Materialien. Diese Syste-me kombinieren Effekte, die man frü-her nur getrennt im Magnetismus oder
Beispiele aus dem Präparationslabor
oben: mit einem feinen Lochgitter aus Aluminium-oxid, einer Seitenansicht, unten: mit einem Nanorasen und einem Nanoge-webe aus Golddrähten.
Impressionen aus dem Lichtstreulabor.
in der Plasmonik beobachten konnte. Dabei koppelt Licht z.B. an die Elektro-nen metallischer Nanostrukturen und schaltet ein Molekül oder einen Kom-plex sehr effektiv in einen neuen Zu-stand.
Als Basis dieser Strukturen dienen zweidimensionale geordnete Lochmus-ter, die wir mit Metalldrähten und Mo-lekülen füllen. Die typische Größe die-ser Strukturen ist im Bereich von 10 – 50 nm (10-9 m), also zwischen der Grö-ße einzelner Atome/Moleküle und der makroskopischen Welt. Viele unserer Experimente basieren auf Optik und Lichtstreuung, da die optischen Eigen-schaften von Materialien sehr wichtig für ihre Anwendungen z.B. in der In-formations- oder Energietechnik sind. Die Ergebnisse unserer Arbeiten kön-nen z.B. zur Verbesserung von Solar-zellen beitragen.
Weitere aktuelle Arbeiten befassen sich mit Metrologie und der Möglichkeit, Experimente an kleinen, nanoskaligen Systemen auf gut bekannte Methoden und Ergebnisse zurückzuführen. In diesem Bereich und zu den oben ge-nannten Themen existieren viele natio-nale und internationale Zusammenar-beiten mit Physikern und Chemikern. Hervorzuheben sind die Partner an der Physikalisch Technischen Bundesan-stalt (PTB), sowie in europäischen und außereuropäischen Forschungsschwer-punkten. Wir pflegen einen regen Aus-tausch mit aktiven Gruppen aus Indien, Israel, Korea, Japan, den USA und der Ukraine.
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In unserer AG werden elektronische und magnetische Eigen-schaften von komplexen Oxiden, Sulfiden und intermetalli-schen Verbindungen studiert. Die dabei eingesetzten Unter-suchungsmethoden sind in erster Linie so genannte nukleare Sondenmethoden. Das sind Methoden, bei denen bestimmte Atomkerne oder implantierte Elementarteilchen (z.B. positiv geladene Myonen µ+) als „Spione“ im betreffenden Material dienen, ohne jedoch das Material in seinen Eigenschaften wesentlich zu beeinflussen. Die Sonden liefern Informationen mit hoher Sensitivität über chemische und physikalische Ei-genschaften ihrer nächsten Umgebung. So werden die Ursa-chen für makroskopisch messbare Materialeigenschaften bes-ser verstanden, was zur gezielten Verbesserung und der Neu-entwicklung von Materialien dienen kann.
Im Zentrum unseres Interesses stehen zurzeit Nanoteilchen und niederdimensionale Strukturen für pharmazeutische und technologische Anwendungen. In Abhängigkeit von der Größe, der Zusammensetzung und Strukturierung der Teil-chen wird die Wechselwirkung der Teilchen untereinander in verschiedenen Umgebungen und deren Einfluss auf elektri-sche Eigenschaften untersucht. Auch zum besseren Verständ-nis von Details im Verlauf der chemischen Herstellung von Nanoteilchen werden Experimente durchgeführt. Ziel ist, die-se Prozesse und die Qualität der Teilchen zu optimieren.
Institut fürPhysik der Kondensierten Materie Arbeitsgruppe Prof. Dr. Jochen Litterst
www.ipkm.tu-bs.de
Mössbauerspektrometer mit Tieftemperaturinstallation für Experimente zwi-schen -271°C und Raumtemperatur.
GPS-Myonenspektrometer am Paul Scherrer-Institut, Schweiz
Die Arbeiten zu den komplexen Oxiden und Sulfiden sowie den intermetallischen Verbindungen befassen sich mit deren zum Teil ungewöhnlichen magnetischen und elektronischen Zuständen, deren Existenz erst seit einigen Jahren bekannt ist. Das Auftreten dieser Zustände reagiert extrem empfind-lich auf geringe Abweichungen in der chemischen Zusam-mensetzung, der Struktur sowie von Temperatur, Druck und der Beschaffenheit angelegter Magnetfelder. Gerade nukleare Sondenmethoden sind zur Aufklärung vieler noch rätselhafter Eigenschaften dieser Verbindungen geeignet.
Die Experimente werden zum Teil in den Labors der TUBS für Mössbauerspektroskopie, zum Teil an Teilchenbeschleuni-gern, wie dem des Paul Scherrer Instituts (Schweiz) für Myo-nenspinrotationsexperimente (µSR), in Zusammenarbeit mit anderen Braunschweiger Arbeitsgruppen und diversen inter-nationalen Forschergruppen aus Brasilien, Frankreich, Italien, Russland und der Schweiz durchgeführt.
Ein weiteres Arbeitsfeld der AG Litterst befasst sich mit der Kulturgeschichte der Physik und physikalisch-philosophi-schen Fragestellungen. Dies geschieht in enger Zusammen-arbeit mit der Fakultät für Geistes- und Erziehungswissen-schaften der TUBS.
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Die moderne Festkörperphysik liefert die Grundlagen für zahl-reiche Innovationen in unserer heutigen, technikorientierten Gesellschaft. Magnetische Eigenschaften spielen hierbei eine herausragende Rolle, da sie in den verschiedensten technolo-gischen Bereichen genutzt werden. Beispielsweise wird in Computer-Festplatten die Information magnetisch gespei-chert. Aber auch das Auslesen der Daten funktioniert mit magnetoresistiven Sensoren, in denen die Orientierung der Magnetisierung direkt elektronisch erfasst werden kann. Für medizinische Anwendungen sind wiederum magnetische Na-nopartikel von großem Interesse, mit deren Hilfe zum Bei-spiel Krebserkrankungen durch das Verfahren der Hyperther-mie behandelt werden können.
In der Arbeitsgruppe werden die magnetischen Eigenschaften von solchen Materialien mit Hilfe der hochempfindlichen SQUID-Magnetometrie untersucht. Im Vordergrund stehen
Institut fürPhysik der Kondensierten Materie
Arbeitsgruppe Priv.-Doz. Dr. Dirk Menzel
www.ipkm.tu-bs.de
Das auf Quanteninter ferenz basierende SQUID-Magnetometer ermög licht es, Magnetisierungen höchst empfindlich zu messen.
In manchen Materialien bilden sich ungewöhnliche Spinstrukturen aus. Im Mangansilizid z.B. findet man diese sog. "Skyrmionen".
Ein Einkristall (oben, rötlich) wird langsam aus der Schmelze (unten, gelb) ge-zogen. Kleines Bild: fertiger Kristall.
Arbeit an der Molekularstrahlepitaxie-Anlage zur Herstellung atomar dünner magnetischer Filme.
dabei Systeme mit außergewöhnlichen Spinstrukturen, wie zum Beispiel den sogenannten „Skyrmionen“, aber auch Ar-beiten an Eisenoxid-Nanoteilchen oder magnetischen Mole-külen. Dabei gibt es innerhalb der TU Braunschweig eine enge Vernetzung mit den Ingenieurwissenschaften und der Chemie, aber auch eine Reihe internationaler Kooperationen.
Zur Herstellung der magnetischen Materialien stehen ver-schiedene Präparationsmethoden zur Verfügung. Zum einen werden für die Erforschung der intrinsischen Eigenschaften von Materialien möglichst perfekte Einkristalle benötigt, die aus der Schmelze gezogen werden. Zum anderen werden ma-gnetische Verbindungen unter sehr kontrollierten Bedingun-gen in Form dünner Filme auf atomarer Skala mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie hergestellt. Auf diese Weise lassen sich die magnetischen Eigenschaften gezielt modifizieren.
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Institut fürPhysik der Kondensierten Materie Arbeitsgruppe Prof. Dr. Stefan Süllow
www.ipkm.tu-bs.de
Messzelle zur Bestimmung der Größe magne-tischer Momente bei tiefen Temperaturen (~ 2 Kel-vin) als Funktion extern angelegten Druckes (bis 1 GigaPascal).
Kristallstruktur einer in der AG Süllow unter-suchten Substanz, das natürliche Mineral Azurit Cu3(CO3)2(OH)2 (Cu: rot, H: grün, O: blau, C: grau). Untersuchungen zu solchen Substanzen werden z.B. mit Hilfe der sog. Neutronenstreuung sowie der Myonenspektroskopie ausgeführt.
Im Zentrum des Interesses der Untersuchungen in unserer Arbeitsgruppe stehen insbesondere die physikalischen Eigen-schaften moderner magnetischer und supraleitender Materi-alien. Ziel ist dabei ein umfassenderes Verständnis der Pro-zesse, welche das Verhalten solcher Stoffe steuern. Diese Er-kenntnisse sollen es in der Zukunft ermöglichen, solche Ma-terialien zielgerichteter für Anwendungen zu optimieren, und darüber hinaus auch um neue Anwendungsbereiche für den Einsatz solcher Systeme zu erschließen.
Experimentell wird dabei eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialgrößen erforscht, dieses unter extremen experimen-tellen Bedingungen. Die Messungen werden bei sehr tiefen Temperaturen (0.3 Kelvin = -272.85º Celsius), in sehr hohen Magnetfeldern (~50 Tesla = 1000000fache des Erdmagnetfel-des) und hohen Drücken (1 GigaPascal = 10000fache des ath-mosphärischen Druckes) ausgeführt. Untersucht werden da-bei gleichermaßen die strukturellen, magnetischen und elek-tronischen Eigenschaften solcher Substanzen mit Hilfe mik-ro- wie makroskopischer Techniken, dieses insbesondere auch unter Nutzung der an verschiedenen internationalen Großforschungseinrichtungen zur Verfügung gestellten Res-sourcen.
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Verstehen, was die Welt im Innersten zusammenhält
Festkörper, Flüssigkeiten, Gase, Gläser, Magnete, Halb- und Supraleiter – die Vielfalt der Stoffe regiert all unser Leben. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Arbeitsgruppe für Festkörpertheorie am Institut für Theoretische Physik nutzen die erstaunlichen Gesetzte der Quantenphysik, um im Mikrokosmos der Atome und Elektronen diejenigen Na-turgesetze zu erforschen, die zu der schillernden Fülle von Materieformen in unserer Welt führen. In Kooperation mit Forschern anderer Institute der Technischen Universität Braunschweig und eingebunden in nationale und internatio-nale Projekte verwenden wir unsere Erkenntnisse, um damit die Materialien der Zukunft zu verstehen und zu entwickeln. So beschäftigen wir uns mit der faszinierenden Mikrowelt molekularer Nano-Magneten, wie sie für die Datenverarbei-
Institut fürTheoretische Physik
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Wolfram Brenig
www.tu-braunschweig.de/theophys
tung, Krebstherapie und Sensorik wichtig sind. Wir untersu-chen kollektive Quantenwolken aus Elektronen in Supralei-tern, in denen der elektrische Strom länger ohne Verluste fließt als das ganze Universum alt ist und die für die Energie- und Kommunikationstechnik eingesetzt werden können. Wir analysieren atomar dünne Drähte und geometrisch komplexe Materialien, in denen „entnervte“ Elektronen in noch kleinere Bestandteile zerfallen und mit denen man neuartige Wärme-leiter und thermische Bauelemente verwirklichen kann. Dies sind einige der spannenden Fragen, die wir im Team nicht etwa nur mit spitzem Bleistift und trockenem Papier bearbei-ten – sondern auch mit den Hunderten von CPUs und meh-reren Terabyte Hauptspeicher modernster Super-Computer.
Fraktionale Anregungen in einem eindimensionalen Quantenantiferroma-gneten im Magnetfeld
Ein IBM Blue Gene/L Cluster mit 8192 CPUs für unsere Quanten- Monte-Carlo Simulationen
Die Energie eines Elektrons in einem Hochtemperatursupraleiter
Die atomare und die magnetische Struktur eines Keplerat-Moleküls
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Institut fürTheoretische Physik Arbeitsgruppe Prof. Dr. Uwe Motschmann
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Die Historie des Wassers auf dem Mars zu erforschen und seinen Verbleib auf-zuklären ist eine der Aufgaben der Ar-beitsgruppe Numerische Plasma Simu-lation. Die Evolution des Mars vor 2 Milliarden Jahren stellen wir in Compu-termodellen nach und stoßen auf einen erstaunlichen Klimawandel. Im Laufe von einer Milliarde Jahren wurden komplette Ozeane dehydriert. Durch die Wechselwirkung der Mars-Atmo-sphäre mit dem Sonnenwind-Plasma ist das Wasser in den interplanetaren Raum abtransportiert worden.
Der Saturn-Mond Enceladus umrundet seinen Mutterplaneten in einer eisigen Umgebung. In Innern von Enceladus befindet sich jedoch eine heute noch unverstandene thermische Quelle, die an seinem Südpol einen intensiven Geysir nach aussen treten lässt. Dieser füllt einen Saturn-Ring markant mit Eis- und Staubteilchen auf, der die ge-samte Region zu einem einzigartigen Plasma-Laboratorium macht. Mit unse-ren theoretischen Modellen simulieren wir die dort auftretenden Plasmapro-zesse im Computer, analysieren die physikalischen Basiselemente und un-terstützen die Interpretation der von der Cassini-Huygens-Mission aufge-nommenen Messdaten.
Simulation der Wechselwirkung des Sonnenwindes mit dem Mars.
Simulation eines Gey-sirs am Enceladus. Die Eispartikel-Verteilung ist grün dargestellt, das Magnetfeld Bx wird im roten Bereich verstärkt und im blau-en Bereich abge-schwächt.
Geysire am Südpol des Saturn-Mondes Enceladus aufgenommen von der Cassini-Huygens-Mission.
Lofar, das weltweit grösste Radioteleskop-Feld, wird auch die Ra-diosignale Extrasolarer Planeten erforschen.
1995 wurde der erste Planet außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt. Bis heute sind etwa 1000 Extrasolare Pla-neten bekannt. Durch die Wechselwir-kung mit dem Sternenwind-Plasma werden in den Magnetosphären dieser Planeten Radiowellen erzeugt. Unsere Modelle sagen eine Radiostrahlung vo-raus, nach denen mit den weltweit größten Radioteleskopen wie dem Very Large Array (New Mexico) oder dem in Aufbau befindlichen LOFAR (Niederlan-de und Europa) gesucht wird. Die si-mulierten Ergebnisse lassen weitrei-chende Rückschlüsse bis hin zur Habi-tabilität der Extrasolaren Planeten er-warten.
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Das Studienangebot der Physik an der TU Braunschweig
Bachelor PhysikDauer 6SemesterAufnahme jeweilszumWintersemesterAbschluss B.Sc.(Physik)
2-Fächer Bachelor Physik (StudienzielLehramt)Dauer 6SemesterAbschluss B.Sc.(Physik) inKooperationmitderFakultätfürGeistes-undErziehungswissenschaften
Anschlussstudium Master PhysikSchwerpunkte „QuantenphysikundQuantentechnologie“ „WeltraumphysikundWeltraumtechnik“Dauer 4SemesterAbschluss M.Sc.(Physik) Master of Education - Studienziel gymnasiales Lehramt(M.Ed.)Dauer 4SemesterAbschluss M.Ed. angebotenvonderFakultätfürGeistes-undErziehungswissenschaften
InfolgendenweiterenStudienprogrammenderFKEITPisteinMasterstudiumebenfallsmöglich, gegebenenfallssindbestimmteEinzelleistungenzusätzlichnachzuweisen: Master Elektrotechnik gegebenenfallsbesonderesZulassungsverfahrenDauer 4SemesterAbschluss M.Sc.(Elektrotechnik) Master Wirtschaftsingenieurwesen Studienrichtung Elektrotechnik GemeinschaftsstudienprogrammmitdenWirtschaftswissenschaften, angesiedeltanderFKEITP;gegebenenfallsbesonderesZulassungsverfahrenDauer 4SemesterAbschluss M.Sc.(WirtschaftsingenieurwesenElektrotechnik) Master Informations-Systemtechnik GemeinschaftsstudienprogrammmitderInformatik, angesiedeltanderFKEITP;besonderesZulassungsverfahrenDauer 4SemesterAbschluss M.Sc.(Informations-Systemtechnik)
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