Aktuelles aus dem Fachbereich Physik

 

„Mit Licht“, sagt Dr. Jörg Imbrock, während er mit einem Pointer einen roten Punkt auf eine Tafel projiziert, „kann man wunderbar vielfältige Dinge anstellen.“ So spreche man beispielsweise von optischer Kommunikation, wenn man mithilfe von Licht Daten überträgt, da nichts schneller als Licht sei, fügt der Physiker aus der Arbeitsgruppe „Nichtlineare Photonik“ der Universität Münster hinzu. Zudem kann man mit der Energie von extrem kurzen Lichtpulsen auch viele Dinge zerschneiden, etwa einen Kristall. Oder einen renitenten Agenten.

Seit mehr als zehn Jahren liefert der Large Hadron Collider (LHC) des Kernforschungszentrums CERN bei Genf Daten aus Teilchenkollisionen bei hohen Energien, die Rückschlüsse auf die Struktur von Atomkernen erlauben. Dabei werden Protonen und Blei-Atomkerne auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Der Physiker Prof. Dr. Michael Klasen vom Institut für Theoretische Physik der Universität Münster ist an einer aktuellen Übersichtsarbeit beteiligt, die den Wissensstand auf diesem Gebiet zusammenfasst. Im Gespräch mit Christina Hoppenbrock gibt er aus diesem Anlass Einblicke in die Fortschritte in der Kernforschung.

 

Millionenförderung für zwei Projekte der Universität Münster: Das Ministerium für Kultur und Wissenschaft (MKW) des Landes Nordrhein-Westfalen unterstützt im Rahmen des Förderprogramms „Profilbildung“ zum einen das an der Universität Münster angesiedelte Projekt „BIOSTORE“ zur Entwicklung nachhaltiger Batterien mit fast 2,7 Millionen Euro. Das interdisziplinäre münstersche Team um den Biotechnologen Prof. Dr. Jochen Schmid möchte mithilfe nachwachsender Rohstoffe möglichst nachhaltige Batterien entwickeln. Das zweite Projekt – „QuGrids“ – ist ein mit insgesamt rund drei Millionen Euro gefördertes Verbundprojekt zur Optimierung von Energienetzen mittels Quantentechnologien und wird vom Forschungszentrum Jülich (FZJ) koordiniert. Von der Universität Münster ist der Physiker Prof. Dr. Carsten Schuck beteiligt. Weitere Partner bei „QuGrids“ sind Teams der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen und vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik (FIT). Die Laufzeit für beide Projekte beträgt drei Jahre, Projektstart ist November 2023.

 

Moderne Rechenmodelle, die beispielsweise für komplexe und leistungsfähige KI-Anwendungen genutzt werden, bringen herkömmliche digitale Computerprozessoren an ihre Grenzen. Neuartige Rechenarchitekturen, die der Funktionsweise biologischer neuronaler Netze nachempfunden sind, versprechen eine schnellere und energieeffiziente Datenverarbeitung. Mehrere Forscher haben nun mit photonischen Prozessoren, bei denen Daten mittels Licht transportiert und verarbeitet werden, eine sogenannte ereignisbasierte Architektur entwickelt. Ähnlich dem Gehirn ermöglicht sie eine fortlaufende Anpassung der Verschaltung innerhalb des neuronalen Netzes. Die veränderbare Verschaltung ist eine Grundlage für Lernprozesse. Für die Studie hat ein Team des Sonderforschungsbereichs “Intelligent Matter” um die Physiker Prof. Dr. Wolfram Pernice, Prof. Dr. Martin Salinga und den Informatiker Prof. Dr. Benjamin Risse der Universität Münster mit Forschern der Universitäten Exeter und Oxford zusammengearbeitet. Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.

 

Die Untersuchung von Systemen aus selbstangetriebenen Teilchen – sogenannten aktiven Teilchen – ist ein rasch wachsendes Forschungsgebiet. In theoretischen Modellen für aktive Teilchen ist eine Annahme oft, dass die Schwimmgeschwindigkeit der Teilchen immer dieselbe ist. Das stimmt allerdings nicht für viele experimentell hergestellte Teilchen, etwa für solche mit Ultraschallantrieb, wie sie für medizinische Anwendungen relevant sind. Hier hängt die Antriebsgeschwindigkeit von ihrer Orientierung ab. Wie sich diese Abhängigkeit auf das Verhalten von Systemen sehr vieler Teilchen auswirkt, insbesondere auch auf die Bildung von Clustern, haben Physiker um Prof. Dr. Raphael Wittkowski von der Universität Münster in einem Kooperationsprojekt mit Prof. Dr. Michael Cates von der University of Cambridge nun erstmals gezeigt. Sie untersuchten mit einer Kombination aus Computersimulationen und theoretischen Berechnungen das Verhalten von Systemen aus vielen aktiven Teilchen mit orientierungsabhängiger Geschwindigkeit und entdeckten dabei eine Reihe neuer Effekte. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

 

Die „Münster Nanofabrication Facility“ (MNF) der Universität Münster lädt am 19. Oktober (Donnerstag) zu ihrem jährlichen Tag der offenen Tür ein. Die englischsprachige Veranstaltung richtet sich vor allem an Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie an regionale Unternehmen, die im Bereich Nanofabrikation oder Nanoanalytik tätig sind. Das Vortragsprogramm umfasst aktuelle Forschungsthemen aus der Nanotechnologie.

Wie der Kosmos oder die Tiefsee fasziniert die Mikro- und Nanowelt viele Menschen. Sie erscheint unzugänglich und bleibt den Blicken der Betrachter scheinbar verborgen. Doch über verschiedene Fachdisziplinen hinweg ermöglichen Mikroskope immer tiefere, genauere und höher aufgelöste Blicke auf allerkleinste Details – bis hin zu atomaren Strukturen. Die Geräte, die die Forscherinnen und Forscher dafür nutzen, sind hoch komplex. Mit den einfachen Lichtmikroskopen, die viele Menschen aus dem Schulunterricht kennen, haben sie kaum etwas gemeinsam. Die Fluoreszenzmikroskopie beispielsweise ist eine lichtmikroskopische Methode, bei der Biomoleküle innerhalb des Präparats mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert werden und das von ihnen abgestrahlte Licht sichtbar gemacht wird. In der Forschung werden noch weitere Mikroskopieverfahren eingesetzt, die auf anderen physikalischen Prinzipien beruhen, wie die Elektronen- und die Rastersondenmikroskopie. Auf dieser Themenseite stellen wir einige der Geräte vor, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Natur- und Lebenswissenschaften an der Universität Münster nutzen, und geben dabei einen Einblick in die Forschung.

 

Postdoktorand Dr. Nihit Saigal aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Ursula Wurstbauer am Physikalischen Institut der Universität Münster hat im Labor das Zubehör zurechtgelegt, um ein ultradünnes, zweidimensionales Material herzustellen: einen silberfarbenen Kristall aus Molybdändisulfid, eine viskoelastische Polymerfolie – und Klebeband. Vorsichtig legt er den Kristall auf das Klebeband, sodass ein wenig des Materials darauf haften bleibt. Diesen Hauch von Material drückt er mehrfach auf die Polymerfolie, dabei werden die Spuren immer dünner. Unter dem Mikroskop begutachtet er das Ergebnis und sucht eine Stelle, bei der das Molybdändisulfid extrem dünn ist – nämlich möglichst genau eine einzige Moleküllage dick.

„Pixel Photonics“, ein 2020 gegründetes Spin-off aus dem Fachbereich Physik der Universität Münster, die Arbeitsgruppe „Integrated Quantum Technology“ von Prof. Dr. Carsten Schuck und Projektpartner aus Forschung und Industrie sowie von der Universität Heidelberg erhalten eine gemeinsame Förderung in der Höhe von 1,45 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Das Geld fließt für einen Zeitraum von drei Jahren in die Weiterentwicklung von Photonendetektoren, die in der Quantenkommunikation, in Quantencomputern und medizinische Geräten eingesetzt werden.

N-Heterozyklische Carbene (NHCs) sind kleine, reaktive organische Ringmoleküle, die gut an Metalloberflächen binden und in den vergangenen Jahren in der Katalyseforschung und auf dem Gebiet der stabilen chemischen Modifizierung von metallischen Oberflächen auf starkes Interesse gestoßen sind. Eine an der Universität Münster vor einigen Jahren entdeckte Besonderheit ist die Fähigkeit bestimmter NHC-Derivate, sich nicht nur an einzelnen Metallatomen zu verankern, sondern auch ein einzelnes Atom aus der Oberfläche vollständig herauszulösen. Gebunden an diesem sogenannten Ad-Atom gleiten die NHCs frei über die Oberfläche – ähnlich einem Ballbot, also einem Roboter, der auf einer Kugel über die Oberfläche gleitet. Mithilfe derartiger „Ballbot-Moleküle“ gelang es den münsterschen Physikern und Chemikern in Kooperation mit chinesischen Forschern nun erstmals, die halogenierten NHCs dazu zu veranlassen, langkettige bewegliche Polymere, also Molekülketten, auf Metalloberflächen herzustellen. Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift „Nature Chemistry“ veröffentlicht.

 

Mehr als 130 Physikerinnen und Physiker aus 23 Ländern kommen vom 14. bis 18. August in Münster zusammen, um über Fragen der modernen Halbleiterphysik und Anwendungen in Elektronik, Optoelektronik und Quantentechnologien zu diskutieren. Das Institut für Festkörpertheorie und das Physikalische Institut des Fachbereichs Physik der Universität Münster richten die „22nd International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (EDISON 22)“ aus und holen sie damit nach Berlin 1997 zum zweiten Mal nach Deutschland. Kathrin Kottke sprach mit dem Konferenzvorsitzenden Prof. Dr. Tilmann Kuhn vom Institut für Festkörpertheorie über aktuelle Entwicklungen, Trends und den besonderen Charakter der Tagung.

Physikerinnen und Physiker der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster freuen sich über eine Millionenförderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Drei Projekte aus der Astroteilchenphysik und ein Vorhaben zum Thema maschinelles Lernen erhalten insgesamt rund 2,2 Millionen Euro für die kommenden drei Jahre.

Im Jahr 1915 sagte Albert Einstein bereits die Existenz von Gravitationswellen vorher, 2016 wurden sie erstmals nachgewiesen durch ein Forscherteam. Nun ist ein weiterer Erfolg gelungen: Ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat erstmals sehr langsam schwingende Gravitationswellen aufgespürt. Dazu werteten sie Daten aus 15 Jahren aus, die das North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) gesammelt hat.

Unsere Milchstraße ist eine Galaxie aus Milliarden von Sternen, die am Nachthimmel mit bloßem Auge zu sehen ist. Im Eis der Antarktis hat nun das „IceCube-Neutrino-Observatorium“ durch die Beobachtung in Neutrinos statt in Licht ein nie dagewesenes Bild der Milchstraße erstellt. Das IceCube-Team, eine internationale Gruppe von mehr als 350 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, hat somit erstmals die Emission hochenergetischer Neutrinos aus der Milchstraße nachgewiesen. Neutrinos sind Elementarteilchen fast ohne Masse, die nur sehr selten mit Materie wechselwirken. Sie sind daher extrem schwer messbar und geben den Experten noch viele Rätsel auf. Die aktuelle IceCube-Arbeit ist jetzt in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht worden.

Astrophysikerinnen und Astrophysiker haben erstmals überzeugende Hinweise auf die Existenz von Gravitationswellen gefunden, die mit Perioden von Jahren bis Jahrzehnten schwingen. Dies geht aus fünf Artikeln hervor, die am 29. Juni in der Zeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht wurden. Dazu werteten die Forscherinnen und Forscher Daten aus 15 Jahren aus, die das North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) gesammelt hat. An einem der Forschungsartikel sind Prof. Dr. Kai Schmitz von der Universität Münster und Dr. Andrea Mitridate von DESY in Hamburg beteiligt. Diese Publikation beschäftigt sich mit der Hypothese, dass NANOGrav Gravitationswellen sieht, die im Urknall erzeugt wurden. Am NANOGrav-Konsortium sind neben dem Team der Universität Münster und von DESY auch Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover sowie von der Universität Mainz beteiligt.

Das alte Gebäude, die „Institutsgruppe 1“ (IG 1), in der Wilhelm-Klemm-Straße wird durch einen Neubau schräg gegenüber ersetzt: Für den symbolischen Spatenstich war heute (28. Juni) auch die nordrhein-westfälische Wissenschaftsministerin Ina Brandes zu Besuch in Münster. Dr. Andreas Gorschlüter, Geschäftsführer des Physikalischen Instituts der WWU Münster, ist seit Projektbeginn verantwortlich für die Vertretung der Nutzerinteressen. Im Gespräch mit Christina Hoppenbrock erklärt er, warum der Neubau, der aus drei Baukörpern besteht, die Forschungsbedingungen deutlich verbessert und inwiefern Studierende davon profitieren.

Die Star-Trek-Macher nehmen es erstaunlich genau mit der Physik. Wie genau - das erklärt der Physiker Prof. Dr. Metin Tolan von der Universität Göttingen am 29. Juni (Donnerstag) an der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster. Der Vortrag mit dem Titel „Die Star-Trek-Physik – Warum die Enterprise nur 158 Kilo wiegt und andere galaktische Erkenntnisse“ findet im Rahmen der Verleihung des Lehrpreises des Fachbereichs Physik statt. Alle Interessierten sind zu der Veranstaltung eingeladen, die um 16 Uhr im Hörsaal HS 1, Gebäude IG 1 (Wilhelm-Klemm-Straße 10) stattfindet.

An einem Dienstagabend Ende April füllt sich Raum 102 im Volkshochschul-Gebäude in der Vagedesstraße in Ahaus. Um kurz vor halb acht steht fest: Die Stühle reichen nicht. Schnell stellt das VHS-Team weitere Sitzgelegenheiten auf – bis alle der etwa 40 Anwesenden einen Platz gefunden haben. Das Publikum wartet auf den Beginn des ersten Vortrags der dreiteiligen Reihe „Von Physik zu Philosophie am Ursprung des Universums“. Der Referent kommt von der Universität Münster und heißt Dr. Michael te Vrugt.

Den Geheimnissen des Universums auf die Spur kommen. Das ist eins von vielen Zielen, das am CERN (Europäische Organisation für Kernforschung) in Genf angestrebt wird. Mit 23 Mitgliedstaaten und etwa 3.400 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern ist das CERN das weltweit größte Forschungszentrum auf dem Gebiet der Teilchenphysik. Mehr als 14.000 Gastwissenschaftler aus 85 Nationen arbeiten an CERN-Experimenten. Einer davon ist Prof. Dr. Christian Klein-Bösing vom Institut für Kernphysik der WWU. Er beschäftigt sich unter anderem mit dem ALICE-Projekt (A Large Ion Collider Experiment) – eines der vier großen Experimente am Large Hadron Collider (LHC) des CERN; mit 27 Kilometern der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Um was es dabei genau geht und wie die Zusammenarbeit in einem großen internationalen Team aussieht, berichtet der Experte für Kern- und Teilchenphysik Kathrin Kottke in einem Interview.

 

Der Grenzbereich zwischen Physik und Chemie liegt irgendwo im ganz Kleinen, im Nanobereich. Dort, wo Moleküle miteinander reagieren und die Gesetze der Quantenmechanik gelten. Diesen Bereich macht der Physiker Dr. Harry Mönig im Center for Nanotechnology (CeNTech) sichtbar: mit einem Rasterkraftmikroskop und einer eigens von ihm und einem münsterschen Team perfektionierten Technik. Dabei tastet eine atomar feine Mess-Spitze aus Kupfer die Probenoberfläche ab; ein Sauerstoffatom an der Spitze verhindert unerwünschte Wechselwirkungen. Mit dieser Methode lassen sich Moleküle, ihre Strukturen und Netzwerke sowie die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen analysieren. Selbst unterschiedliche Atome können die Physiker identifizieren.

Die Untersuchung von aktiven Teilchen ist eines der am schnellsten wachsenden Teilgebiete der Physik. Als aktive Teilchen bezeichnen Physikerinnen und Physiker Objekte, die sich durch einen internen Antrieb von alleine fortbewegen. Dazu zählen Lebewesen wie schwimmende Bakterien und Fische, fliegende Vögel oder herumlaufende Menschen, aber auch künstliche Nanoroboter, die zum Beispiel für den Medikamententransport im Körper eingesetzt werden können. Insbesondere interessieren sich die Fachleute für das Verhalten von Systemen aus vielen aktiven Teilchen, um hierdurch beispielsweise Vogelschwärme, Biofilme oder Menschenansammlungen zu verstehen. Die Physiker Dr. Michael te Vrugt, Tobias Frohoff-Hülsmann, Prof. Dr. Uwe Thiele und Prof. Dr. Raphael Wittkowski vom Institut für Theoretische Physik der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster haben nun in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Eyal Heifetz von der Universität Tel Aviv (Israel) ein neues Modell („active model I+“) für die Dynamik von Systemen aus vielen aktiven Teilchen entwickelt. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Wie das Universum entstand, versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt am Kernforschungszentrum CERN bei Genf herauszufinden. An der Forschung beteiligen sich auch Physikerinnen und Physiker der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster: Sie haben das Experiment „ALICE“ am Teilchenbeschleuniger LHC („Large Hadron Collider“) mit aufgebaut und werten nun Messdaten aus. Schülerinnen und Schüler ab 15 Jahren dürfen am 17. Februar (Freitag) gemeinsam mit den münsterschen Forschern Geheimnisse aus der Welt der kleinsten Teilchen lüften. Der kostenlose Workshop – eine „International Masterclass“ – findet von 9.30 bis 17 Uhr im Institut für Kernphysik der Universität Münster statt. Weitere Informationen und die Möglichkeit zur Anmeldung gibt es unter https://wwuindico.uni-muenster.de/event/1806/. 

Michael te Vrugt erhält für seine Doktorarbeit an der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster den mit 2.500 Euro dotierten Infineon-Promotionspreis 2023. Der Physiker aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Raphael Wittkowski am Institut für Theoretische Physik und am Center for Soft Nanoscience (SoN) untersuchte für seine Dissertation das Verhalten von Vielteilchensystemen außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts. Der Infineon-Promotionspreis wird jährlich vom Fachbereich Physik der WWU und der Infineon AG vergeben.

Materie ist intelligent, wenn sie mit der Umgebung interagiert, Impulse empfängt und auf diese reagiert. Das MExLab Physik (Münsters Experimentierlabor Physik) der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster und der Sonderforschungsbereich 1459 bieten dazu das Projekt „SmartMatters4You“ an, das sich an Schülerinnen der Oberstufe und Studentinnen der ersten Semester richtet. Die Teilnehmerinnen gehen im Laufe des Jahres der Frage nach, wie Bausteine der Natur zusammenwirken, damit intelligentes Verhalten entsteht. Die Auftaktveranstaltung findet am 16. März statt. Weitere Informationen zum Projekt und zur Anmeldung gibt es unter go.wwu.de/smartmatters4you.