Fakultät für Physik

Perspektiven

Die in den vergangenen Jahren mit dem SFB 616 „Energiedissipation an Oberflächen“ erarbeiteten wissenschaftlichen Erfolge in einem der Forschungsschwerpunkte der Fakultät für Physik – Festkörperphysik – haben zur Einrichtung eines neuen Sonderforschungsbereiches geführt:

SFB 1242 „Nichtgleichgewichtsdynamik kondensierter Materie in der Zeitdomäne“

Gezielte Modifikationen physikalischer Eigenschaften kondensierter Materie durch externe Kontrollparameter wie elektrische Spannung, Druck, Temperatur und chemische Zusammensetzung ermöglichen vielfältige technologische Anwendungen, die unser Leben im Alltag prägen. Zum Verständnis dieser Eigenschaften und der Entwicklung von Anwendungen werden zumeist die Thermodynamik und daraus abgeleitete Konzepte bemüht. Mikroskopisch entspricht die erzeugte Eigenschaftsänderung aber häufig einer Nichtgleichgewichtssituation, deren theoretische Behandlung anspruchsvoll ist und im Allgemeinen neuartige Konzepte jenseits der Thermodynamik erfordert. Mit einem vollständigen Verständnis der zeitlichen Entwicklung des Nichtgleichgewichts als anspruchsvolles Ziel verspricht der SFB 1242 daher innovative Impulse und neuartige Konzepte für die Wissenschaft wie auch für Anwendungen.

Durch extrem kurzzeitige, externe Stimuli wie Lichtblitze, impulsive Druckänderungen, elektrische Spannungsstöße oder Partikeleinschlag lassen sich Nichtgleichgewichtszustände in kondensierter Materie präparieren, wie sie durch eine reversible Energiezufuhr nicht erreicht werden können. Das in seinen elektronischen und phononischen Freiheitsgraden stark angeregte System folgt einer komplexen Dynamik in Zeit und im Raum, wobei charakteristische Zeit- und Längenskalen bis in den Femtosekunden- bzw. Nanometerbereich maßgeblich sind. Das Verständnis dieser dynamischen Vorgänge erfordert Konzepte, die auf der elementaren, mikroskopischen Natur der Anregungen aufbauen, ihre gegenseitigen Kopplungen berücksichtigen und daher weit mehr Informationen enthalten als die Gleichgewichtsbeschreibung der Thermodynamik. Der experimentelle Zugang zu dieser Dynamik gelingt insbesondere in der Zeitdomäne, weshalb dieser Sonderforschungsbereich diesen Ansatz verfolgt.

Vorrangiges Ziel des Sonderforschungsbereichs SFB 1242 „Nichtgleichgewichtsdynamik kondensierter Materie in der Zeitdomäne” ist es, ein materialübergreifendes, mikroskopisches Verständnis von Nichtgleichgewichtszuständen und ihrer Dynamik zu entwickeln. Die Analyse der Anregungen in der Zeitdomäne wird in Verbindung mit einer räumlichen Einschränkung des betrachteten Systems durchgeführt, wie z.B. in Festkörperstrukturen oder in molekularen Systemen durch eine Einschränkung der Dimensionalität von drei auf effektiv zwei, eine und null Dimensionen. Dieses kombinierte Vorgehen ermöglicht einen direkten Zugang zur zeitlich-räumlichen Korrelation der Dynamik und gewährleistet die Empfindlichkeit auf eine bestimmte Anregung durch gezieltes An- bzw. Abschalten konkurrierender Relaxationskanäle.

Der intensive Austausch aller beteiligten Wissenschaftler*innen und das gemeinsame Streben nach sowohl realistischen als auch ambitioniert herausfordernden Forschungsprojekten verspricht herausragende Erkenntnisse – die sich zu diesem Zeitpunkt mit den ersten Veröffentlichungen, darunter eine bei der angesehenen Zeitschrift Nature, schon einstellen.

Die Berufung von Prof. Hendrik Härtig in der Didaktik der Fakultät für Physik im Frühjahr 2016 verspricht neue Erkenntnisse bezüglich der Rolle von Sprache im Physikunterricht und eine Intensivierung der Forschung zu den experimentellen Fähigkeiten von Schüler*innen. Letzteres Thema ist auch ein Schwerpunkt in der Forschungsgruppe von Prof. Heike Theyßen – hier wird es sicher zu Synergien kommen.