Schwerpunkt der Forschungstätigkeit ist das grundlegende Verständnis der Plasma-Oberflächen-Wechselwirkung. Dazu werden zahlreiche Experimente in reaktiven Plasmen durchgeführt zur Identifizierung der vorherrschenden Reaktivteilchenflüsse sowie der daraus resultierenden Oberflächenprozesse. Als Diagnostiken kommen vielfach optische in-situ Diagnostiken im Sichtbaren und Infraroten sowie die Massenspektroskopie zum Einsatz. Die Analyse wird durch ein weltweit einmaliges Teilchenstrahlexperiment komplettiert, das es erlaubt, heterogene Oberflächenreaktionen direkt zu studieren.

Themen sind das Verständnis von gepulsten magnetisierten Hochleistungsplasmen zur Synthese von Oxiden und Nitriden sowie die plasma gestützte Herstellung von Barrieren und Membranen. Ein großes Feld ist auch die Analyse von Nichtgleichgewichtsprozessen in Atmosphärendruckplasmen wie sie für die Plasma-Katalyse und die plasma gestützte Elektrolyse eingesetzt werden können.

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Im Mittelpunkt des Forschungsinteresses steht die Physik von Plasmen fernab des thermodynamischen Gleichgewichts. Dies umfasst Fragestellungen zur ohmschen und stoßfreien Heizung, zum Transport und zur Verteilung geladener und ungeladener Teilchen oder zur Ausbreitung elektromagnetischer Felder sowie damit in Verbindung stehende Aspekte der Atom- und Molekülphysik.

Der Anwendung und Entwicklung neuer Diagnostikmethoden kommt in diesem Zusammenhang eine besondere Bedeutung zu. Allgemein wird ein sehr breites Spektrum an verschiedenen optischen und elektrischen Techniken eingesetzt, wobei ein Schwerpunkt im Bereich der Laserspektroskopie liegt. Grundsätzlich wird versucht, durch die Kombination von Experiment, Simulation und analytischer Modellbildung zu einem Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten und Prozesse zu gelangen.

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Kurz nach dem Big Bang bestand das Universum nur aus den fundamentalen Bausteinen der Materie. Quarks und Gluonen fanden sich im Bruchteil einer Sekunde zusammen und bildeten die Protonen und Neutronen, oder Hadronen, wie der Oberbegriff für diese zusammengesetzten Teilchen heißt. Warum wir keine einzelnen Quarks und Gluonen beobachten und warum die Eigenschaften der Hadronen nicht nur die Summe der Eigenschaften der Bausteine sind, ist eine der Hauptfragestellungen der Hadronenphysik.

Um diesen Geheimnissen der Natur auf die Spur zu kommen, suchen wir in Experimenten an großen Beschleunigerzentren dieser Welt nach immer neuen Kombinationen der fundamentalen Bausteine in Hadronen, um aus diesen Puzzleteilen eine Beschreibung der heute beobachteten Welt und ihrer Gesetze zu erreichen. Die dabei von uns entwickelten modernsten Detektortechnologien erlauben eine Ausbildung von Studierenden in Experimentalphysik auf technologisch höchstem Niveau.

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Eine der zentralen Fragen der Physik ist die Zusammensetzung von Materie. Vor allem im Bereich der Hadronen, wozu die Protonen und Neutronen gehören, sind einige Phänomene bisher noch ungeklärt. Die Quantenchromodynamik (QCD), die theoretische Beschreibung der starken Wechselwirkung, ist in guter Übereinstimmung mit den meisten Messergebnissen. Allerdings sind weder die QCD selbst noch effektive Theorien oder Berechnungen im Rahmen der Gitter-QCD in der Lage, alle bisher gefundenen Zustände zuzuordnen und deren interne Struktur aufzuklären.

Neben der Verbesserung der theoretischen Beschreibung von Seiten der theoretischen Physik, ist es wichtig, zum einen nach neuen vorhergesagten oder nicht-vorhergesagten Zuständen zu suchen. Um nun theoretische Beschreibungen zu bestätigen oder auszuschließen, ist es auf der anderen Seite notwendig, gefundene Zustände präzise zu vermessen. Energie-Scan-Messungen erlauben die genaue Bestimmung der Masse und Breite von Zuständen, während die Partialwellenanalyse die Extraktion von zusätzlichen Eigenschaften wie des Spins und der Parität ermöglicht.

Um die Datenbasis zu verbessern, habe ich mich mit Kolleginnen und Kollegen weltweit zusammengeschlossen, um zum einen das PANDA-Experiment in Darmstadt aufzubauen und parallel dazu die Daten des BESIII-Experimentes in Beijing zu analysieren.

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Wir beschäftigen uns mit der Erforschung von Halbleitern sowohl im Hinblick auf grundlegende physikalische Phänomene als auch auf die Entwicklung innovativer Bauelemente in zwei Hauptarbeitsgebieten:
Molekularstrahlepitaxie (MBE) zur Herstellung von Halbleiterheterostrukturen sowie fokussierte Ionenstrahlimplantation (FIB) zur Materialbearbeitung.

Durch „band-gap-engineering“ werden mittels MBE in AlInGaAs niedrigdimensionale Halbleiter hoher Güte mit Monolagenauflösung realisiert. Das sind zweidimensionale Elektronenschichten, wie sie in jedem Feldeffekttransistor auftreten, eindimensionale Quantendrähte oder auch nulldimensionale Quantenpunkte, die elementare Funktionseinheiten zukünftiger Supercomputer bilden werden.

Die räumlichen Einschränkungen führen zu Quantenphänomenen, wie beispielsweise dem Quanten-Hall-Effekt und der Leitfähigkeitsquantisierung. Wir vermessen unsere Halbleiter optisch und elektrisch – auch bei tiefen Temperaturen. Diese dienen als Grundlage für Spitzenforschung in weltweiten Kooperationen. Da die Grenzen heutiger Lithographieverfahren absehbar sind, haben wir eine maskenlose Strukturierungstechnik mittels FIB implementiert, die völlig ohne Chemie auskommt. Diese Technik erlaubt es, laterale Strukturen bis in den NANOmeter-Bereich zu erzeugen. Individuelle neuartige Bauelemente (z.B. in-plane-gate Transistoren) und NANO-Strukturen zur Erforschung von Quantenphänomenen werden dadurch möglich.

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Wir untersuchen die geometrische, elektronische, vibronische und magnetische Struktur von Nanostrukturen und Dünnschichtsystemen auf Halbleiter- oder Oxidoberflächen. Von besonderem Interesse sind dabei die Dynamik der Entstehungsprozesse der Strukturen, Wachstums-, Adsorptions- und Diffusionsprozesse.

Technologische Zielsetzung ist dabei, Schichten oder Nanostrukturen mit vorgegebenen strukturellen, magnetischen oder chemischen Eigenschaften herzustellen. Die Hauptmessmethode ist die Rastertunnelmikroskopie (STM). Die Abbildung der Proben mit atomarer Auflösung erfolgt im Ultrahochvakuum während der Entstehung der Nanostrukturen oder der ultradünnen Schichten. Direkt während des Wachstums wird die Oberfläche zeitaufgelöst beobachtet, wodurch man die Wachstums- und Strukturbildungsprozesse verfolgen kann.

Chemische Informationen über den Zustand der Oberfläche werden mittels hochauflösender Elektronen-Spektroskopie-Methoden erhalten. Die Schwingungsmoden von den an der Oberfläche gebundenen Molekülen zusammen mit den Ergebnissen der Rastertunnelmikroskopie erlauben eine genaue Charakterisierung der Bindungsverhältnisse von Molekülschichten auf Oberflächen. Magnetische Eigenschaften von Nanostrukturen werden direkt während der Herstellung mittels des magneto-optischen Kerr-Effekts (MOKE) untersucht. So kann auch das Verhalten magnetischer Domänen auf einer sub-Mikrometerskala beobachtet werden.

In Festköpern läuft eine Vielzahl physikalischer Prozesse innerhalb von nur wenigen Nanosekunden oder Pikosekunden ab. Beispiele sind die Rekombination von Ladungsträgern, Magnetisierungsdynamik oder Spinrelaxation. Die Arbeitsgruppe Spektroskopie der kondensierten Materie macht solche Prozesse mit laserspektroskopischen Verfahren sichtbar. Kurzpulslaser ermöglichen die Untersuchung derart schneller Phänomene mit einer Zeitauflösung von etwa 100 fs.

Ein Schwerpunkt unserer experimentellen Arbeit ist dabei das Entwickeln von Materialien und Strukturen, die lange Spinlebenszeiten zeigen und für die Halbleiterspinelektronik genutzt werden können. Die Arbeitsgruppe trägt darüber hinaus zum wachsenden Gebiet der Fluktuationsspektroskopie bei. Es werden Methoden entwickelt, um die zufällige thermische Bewegung von z.B. Elektronenspins in Festkörpern oder den stochastischen Transport von Ladungsträgern in Widerständen zu vermessen und sinnvoll zu charakterisieren. Dafür wurde ein System entwickelt, das Datenströme von ca. 0,4 GByte/s in Echtzeit verarbeitet und Regelmäßigkeiten (Korrelationen) aufdeckt, die im Rauschen verborgen sind.
Die so genannte Korrelationsspektroskopie wird u.a. angewendet bei der Untersuchung von kritischer Dynamik an Phasenübergängen, der Quantendynamik von mesoskopischen Systemen und dem Aufspüren von systematischen Störquellen in hochempfindlichen Messungen.

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Die theoretische Physik der kondensierten Materie verdankt ihre Reichhaltigkeit und Komplexität der Tatsache, dass sie sich mit der Quantentheorie von Vielteilchensystemen beschäftigt. Diese Theorie beschreibt eine sehr große Anzahl von Atomen oder Ionen und deren gegenseitige Wechselwirkungen (oder Korrelationen), wobei Phänomene, die einen reinen quantenmechanischen Ursprung haben, eine große Bedeutung aufweisen.

In unserer Arbeitsgruppe verwenden wir verschiedene theoretische Methoden, um die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von stark korrelierten niedrigdimensionalen Systemen zu studieren, einschließlich der unkonventionellen Hochtemperatur- Supraleitung, die in vielen solchen Systemen entsteht. Die Besonderheit dieser Systeme besteht darin, dass die Elektron-Elektron-Korrelationen sich durch den Effekt der niedrigen Dimensionalität und der Konkurrenz von Spin-, Ladungs- und orbitalen Freiheitsgraden deutlich verstärken. Darüber hinaus ist in solchen Fällen zu berücksichtigen, dass der Grundzustand solcher Systeme sich als Funktion eines einzelnen Parameters drastisch verändern kann.

Außerdem beschäftigt sich unsere Arbeitsgruppe mit niedrigdimensionalen stark korrelierten Systemen, die eine geometrische Frustration der magnetischen Ordnung aufweisen und die für viele exotische Quantenzustände der Materie verantwortlich sind.

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Wir beschäftigen uns mit Quantenmaterialien, deren Eigenschaften ganz wesentlich von quantenmechanischen Effekten bestimmt werden. Hier führt beispielsweise die Wechselwirkung zwischen Elektronen untereinander und zwischen Elektronen und Ionen des Kristallgitters zu vielfältigen Phänomenen, wie magnetischer Ordnung, Ladungsdichtewellen oder Supraleitung.

Wir stellen diese, oft intermetallischen Verbindungen als Einkristalle selbst durch Flusszüchtung her. Ihre, häufig noch unbekannten, strukturellen und chemischen Eigenschaften untersuchen wir mit diversen Methoden. Dies reicht von Strukturbestimmung und chemischer Analyse, über elektrischen Transport und thermodynamische Eigenschaften zu Röntgen- und Neutronendiffraktion. Dabei betrachten wir einen weiten Temperaturbereich von ca. 1 K – 400 K und hohe Magnetfeldern von bis zu 17 T. Eine besondere Rolle spielt die Untersuchung von durch uniaxialen Druck und Dehnung verursachter Effekte, die wir mittels hochaufgelöster Messung von thermischer Ausdehnung, elastischer Module und Elastotransport aufklären.

Unser Ziel ist es, die Eigenschaften komplexer Materialien zu verstehen und zu lernen, diese gezielt zu steuern. Zum Beispiel lassen sich durch Änderungen der Zusammensetzung oder (anisotropen) Druck neue Phasen induzieren und funktionale Eigenschaften erreichen. Dabei suchen wir insbesondere nach neuen Quantenmaterialien mit exotischen Eigenschaften mit Methoden des Materialdesigns.

Forschungsschwerpunkt des Lehrstuhls für Astronomie ist die extragalaktische Astronomie.

Ziel ist es, durch die Untersuchung von Galaxien den Prozess der Strukturbildung als stete Verdichtung der Materie seit dem Urknall unter dem Einfluss der sogenannten „dunklen Materie“ besser zu verstehen. Dabei spielt die Energiefreisetzung von aktiven galaktischen Kernen und Sternen durch ihre Strahlung, ihre stellaren Winde und Supernova-Explosionen eine ebenso wichtige Rolle wie die Wechselwirkung von ausfließendem Gas mit frisch einfallendem Gas aus dem intergalaktischen Raum.

Diese Vorgänge beeinflussen die Verteilung, Zusammensetzung und Kinematik des interstellaren Gases und damit die folgende Generation von Sternen sowie das gesamte Erscheinungsbild von Galaxien. Beobachtungen mit Radioteleskopen, wie dem Very Large Array (VLA) in New Mexico (USA) oder dem neuartigen Low Frequency Array (LOFAR) in Europa, werden für diese Untersuchungen ebenso benutzt wie Messungen von Forschungssatelliten (z.B. Hubble- oder XMM/Newton Teleskope der ESA) oder die europäischen Großteleskope der ESO in Chile. Im Rahmen eines deutschen Konsortiums wird auch an einer Kamera für das größte optische Teleskop der Welt, das Large Binocular Teleskop (LBT) auf dem Mt. Graham in Arizona, mitgearbeitet. Unsere Untersuchungen zur Verteilung kosmischer Magnetfelder sind ein wichtiges Bindeglied zur Hochenergie-Astrophysik.

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Teleskopzeit ist kostbar und steht dem Astronomen – falls er Glück hat – nur für wenige Stunden pro Jahr an einem der großen Observatorien der Welt zur Verfügung. Detaillierte Langzeitbeobachtungen von variablen Objekten oder gar spontane Messungen sind so praktisch ausgeschlossen. Daher hat der Lehrstuhl für Astrophysik ein Observatorium in der chilenischen Atacamawüste auf 2.800 m Höhe errichtet, wo er an einem der besten Standorte der Welt etwa 350 Nächte pro Jahr eigene Projekte durchführen kann. Dabei stehen drei Arbeitsgebiete im Vordergrund:

1. die Entstehung von Sternen,
2. die Suche nach extrasolaren Planeten,
3. die Struktur aktiver galaktischer Kerne.

Bei all diesen Bereichen handelt es sich um variable Phänomene, die nur durch monatelange Beobachtungen studiert und verstanden werden können. Auch ist die physikalische Struktur der Objekte ähnlich – wenn gleich auf unterschiedlichen Größenskalen. Junge Sterne sowie Schwarze Löcher in Galaxienzentren sammeln aus ihrer Umgebung Materie auf und wachsen dadurch. Die Materie strömt dabei nicht direkt, sondern vielmehr über eine Scheibe aus Gas und Staub auf das zentrale Objekt. Im Falle von jungen Sternen bilden sich in dieser Scheibe praktisch immer auch Planeten. Mit fünf Teleskopen, die über das Internet fernbedienbar sind, führen Studierende der RUB und Partner im In- und Ausland gemeinsame Projekte im sichtbaren und infraroten Licht durch.

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Eine der größten Fragen in der Kosmologie heute ist die nach der Ursache für die beschleunigte Expansion des Universums. Ist diese überraschende Eigenschaft des Kosmos ein Hinweis auf eine kosmologische Konstante? Ist eine neue Form von Energie, häufig Dunkle Energie genannt, oder ein neues, noch nicht beobachtetes Teilchen/Feld dafür verantwortlich? Oder ist unsere Theorie der Gravitation, Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, unvollständig? Mit Hilfe verschiedenster Beobachtungstechniken versuchen Kosmologen heutzutage diese Fragen zu beantworten.

Die Forschungsaktivitäten in der Arbeitsgruppe für Beobachtende Kosmologie konzentrieren sich dabei auf die Ausnutzung des schwachen Gravitationslinseneffekts, der potentiell genauesten Beobachtungsmethode zur Erforschung der beschleunigten Expansion. Massen im Universum, wie z.B. Galaxien oder Galaxienhaufen, beeinflussen die Ausbreitung von Licht und agieren somit ähnlich wie optische Linsen. Diese Eigenschaft führt zu winzigen Verzerrungen in den Bildern von Hintergrund-Galaxien, die wir mit Großteleskopen aufnehmen. Die Messung dieser Verzerrungen in Kombination mit einer Messung der Entfernung (Rotverschiebung) der Hintergrund-Galaxien erlaubt es dann Massen im Universum zu messen, d.h. kosmische Objekte zu wiegen.

Diese Messungen werden mit großformatigen Kameras an speziellen Wide-Field Teleskopen aufgenommen. Da es sich um einen sehr kleinen Effekt handelt, müssen große Flächen am Himmel abgebildet werden, um genug Galaxien (viele Millionen) für eine signifikante Messung zur Verfügung zu haben. Zur Zeit benutzt die Arbeitsgruppe hauptsächlich Daten der europäischen Projekte KiDS (Kilo-Degree Survey; http://kids.strw.leidenuniv.nl/) und VIKING (VISTA Kilo-Degree Infrared Galaxy Survey). In Zukunft werden sowohl Daten des LSST (Large Synoptic Survey Telescope) Großteleskops als auch der ESA/NASA Euclid Satelliten Mission verwendet werden.

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