DFG Projects

Standortsprecherin

Prof. Dr. Corinna Kollath
Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik
Nussallee 14-16
53115 Bonn

Zusammenfassung

Ein weit verbreitetes Paradigma der Physik ist, dass Quanteneffekte nur dann für die Eigenschaften eines Systems ausschlaggebend sind, wenn dieses so gut wie möglich von seiner Umgebung isoliert ist. Diese Isolation ist Grundvoraussetzung vieler Quantentechnologien. Der zentrale Ansatz des SFB/TR 185 ist die umgekehrte Herangehensweise. Wir betrachten die Kopplung von Quantensystemen an Reservoire als potentiell nützliches Werkzeug und nicht als ein unvermeidbares Ärgernis. Die Vision des SFBs ist es, externen Antrieb und maßgeschneiderte Reservoire einzusetzen, um die Effekte generischer, unkontrollierter Umgebungen zu kompensieren und eine toolbox für die Kontrolle von Ein- und Vielteilchen-Quantensystemen mittels offener Systeme zu entwickeln. Dieses beinhaltet die Erzeugung, Kontrolle und Stabilisierung von interessanten Quantenzuständen ebenso wie die Anregung und Manipulation kollektiver Prozesse. Der Zugang umfasst darüber hinaus die Zusammenführung des sehr aktiven Forschungsfeldes topologischer Systeme mit Kontrollverfahren basierend auf offenen Systemen. Das Ziel ist es, die grundlegenden Mechanismen offener Systeme zu verstehen und diese als Werkzeug zu verwenden, welches Möglichkeiten eröffnet, die weit über das hinausgehen, was in geschlossenen Quantensystemen erreichbar ist. Das Forschungsfeld der Kontrolle durch Kopplung an massgeschneiderte Reservoire ist ein junges Feld und der SFB/TR 185 hat während der ersten Förderperiode maßgeblich an seiner Entwicklung mitgewirkt. Die experimentellen Platformen unserer Forschung sind Atome und Photonen, da für diese Systeme die verfügbaren Kontrolltechniken und Messverfahren am weitesten entwickelt sind. Für diese ist es oft möglich, eine mikroskopische Kontrolle und ein detailliertes Verständnis von Systemen und Umgebungen zu erlangen. Die betrachteten Systeme erstrecken sich von Photonen-Kondensaten über einzelne Atome, die an Quantenlicht gekoppelt sind, bis hin zu ultrakalten Quantengasen. Das Forschungsprogramm gliedert sich in drei komplementäre Teilbereiche. Im Bereich A, "Quanten-systeme aus wenigen Teilchen und Reservoire", wird der Einfluß maßgeschneiderter Umgebungen auf einzelne oder wenige Quantensysteme untersucht. Hier bieten die gewählten experimentellen Plattformen einen maximalen Grad der Kontrolle. Im Fokus der Aktivitäten im Forschungsbereich B, "Kontrolle quantenmechanischer Vielteilchensysteme durch Reservoire", stehen die Erzeugung und Manipulation kollektiver Zustände und Prozesse in komplexen Vielteilchensystemen. Aufgrund der Komplexität der Systeme können hier typischerweise nicht alle Freiheitsgrade kontrolliert und gemessen werden und die theoretische Beschreibung ist schwierig. Ziel der Forschung im Bereich C, "Topologische Zustände in Systemen aus Atomen und Photonen", ist es, neue Methoden der Stabilisierung von Quantenzuständen zu entwickeln, die generische Eigenschaften topologischer Systeme mit Kontrollverfahren auf der Basis offener Systeme verbinden.

Beteiligte Institution:

Technische Universität Kaiserslautern (Sprecher-Hochschule)
Laufzeit

01.07.2016  - 30.06.2024 (2. Förderperiode)

Website

Sprecher

Prof. Dr. Ulf-G. Meißner
Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik
Nußallee 14-16
53115 Bonn

Zusammenfassung

Der Sonderforschungsbereich befasst sich mit Fragen zur Strukturbildung in der Quantenchromodynamik (QCD) und der Rolle der Symmetrien:

- welche Formen von stark wechselwirkender Materie werden von QCD erzeugt?
- wie finden sich die zugrunde liegenden Symmetrien im beobachtbaren Spektrum und der Wechselwirkung wieder?

Beteiligte Institutionen:

Technische Universität München
Chinese Academy of Sciences, Peking, China
Ruhr-Universität Bochum
Forschungszentrum Jülich GmbH
Chinese Academy of Sciences, Peking, China
Peking University, China

Laufzeit

01.07.2012 - 30.06.2024 (3. Förderperiode)

Website

Teilprojektleiterin Universität Bonn

Prof. Dr. Corinna Kollath
Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik
Nußallee 14-16
53115 Bonn

Zusammenfassung

Die Entwicklung neuer Materialen ist eine wichtige Basis für technologische Innovationen, die unser tägliches Leben grundlegend - wenn auch oft unbemerkt - verändern. Beispiele hierfür sind etwa die Entwicklung neuartiger Datenspeicher, deren Lese- und Schreibköpfe in geschickter Weise den Magnetwiderstand nutzen. Die Entdeckung zweidimensionaler Materialien wie Graphen hat weltweit eine Welle an Forschungsinitiativen ausgelöst mit dem Ziel, innovative Anwendungen dieser faszinierenden Materialien zu erkunden. Ähnliches gilt für Spin-Bahn-gekoppelte Materialien wie die kürzlich entdeckten topologischen Isolatoren, deren neuartigen Eigenschaften ebenfalls komplett neue Funktionalitäten erwarten lassen. Der Schlüssel zu diesen Entwicklungen war eine Grundlagenforschung, welche die Entdeckung neuer Materialien, die Entwicklung neuer theoretischer Konzepte und die Suche nach dem Verständnis unbekannter Phänomene zum Ziel hatte. Die materialorientierte Grundlagenforschung ist daher ein sich rasch entwickelndes, interdisziplinäres, hoch kompetitives Feld. An vorderster Front dieses Feldes steht heute die Untersuchung von Quantenmaterialien, in denen relativistische Effekte wie die Spin-Bahn-Wechselwirkung und nicht-triviale Topologie eine tragende Rolle spielen. Gleichzeitig zeigt sich, dass in Materialien mit starken elektronischen Korrelationen besonders interessante Ordnungsphänomene wie Supraleitung, Magnetismus und andere exotische Phasen realisiert werden können. Genau an der Schnittstelle dieser Forschungsfelder möchten wir einen Sonderforschungs-bereich bilden mit den zentralen Zielen, Quantenmaterialien zu synthetisieren, umfassend zu charakterisieren und ultimativ eine präzise Kontrolle der physikalischen Eigenschaften dieser Materialien zu gewinnen – um ihre Dynamik zu verstehen, sie zu kontrollieren und neue Funktionalitäten zu ermöglichen. Gerade in Materialien, die starke Korrelationen mit interessanten topologischen Eigenschaften verknüpfen, erwarten wir eine Vielzahl von neuartigen, bisher noch unentdeckten Phänomenen. Um diese ambitionierten Ziele zu erreichen, haben wir ein breit aufgestelltes Team von Wissen-schaftlern aus experimenteller und theoretischer Physik, Kristallographie und Chemie geformt. Unterstützt wird dieses Team durch die ausgezeichnete wissenschaftliche Infrastruktur der Universität zu Köln – etwa den Kernprofilbereich „Quantenmaterie und -materialien“, den die Universität zu Köln als Teil ihrer institutionellen Strategie im Rahmen der Exzellenzinitiative etabliert hat. Das Kölner Team wird ergänzt durch zwei exzellente Gruppen mit unentbehrlichen Zusatzkompetenzen an der Universität Bonn und dem Forschungszentrum Jülich. Eine wichtige Basis unseres Forschungs-vorhabens ist es, den kompletten Kreislauf von „Materialien – physikalische Eigenschaften – Theorie“ innerhalb des geplanten Sonderforschungsbereichs zu realisieren, der bereits heute ein Eckpfeiler des Erfolgs der Kölner Festkörperphysik ist. Dabei werden physikalische Phänomene und Materialen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Blickwinkel untersucht, die wir in fünf „focus areas“ zusammengefasst haben. Der geplante Sonderforschungsbereich wird den Forschungsschwerpunkt der Kölner Festkörperphysik und die assoziierten Gruppen in Bonn und Jülich stärken und zu einem international führenden Zentrum der Festkörperphysik ausbauen. Unsere Vision ist es, neuartige kollektive Phänomene in Quantenmaterialien, die aus dem Wechselspiel von Spin-Bahn-Wechselwirkung, Korrelationen und Topologie entstehen, zu entdecken, zu verstehen und zu kontrollieren.

Sprecher: Universität zu Köln

Laufzeit

seit 2016

Website

Teilprojektleiter Universität Bonn

Prof. Dr. Frank Bertoldi
Argelander Institut für Astronomie
Auf dem Hügel 71
53121 Bonn

Zusammenfassung

Der SFB 956 “Bedingungen und Auswirkungen der Sternentstehung – Astrophysik, Instrumentierung und Labor“ bündelt die einzigartige Expertise der Astrophysik-Gruppen im Hinblick auf drei Ziele: Auf der wissenschaftlichen Seite nutzt der SFB die sich jetzt bietenden neuen astronomischen Beobachtungsmöglichkeiten, die sich durch die Öffnung des sub mm- und ferninfraroten Spektralbereichs und die interferometrische Techniken im Hinblick auf höchste räumliche Auflösung vom Radio- bis zum infraroten Spektralbereich ergeben. Die wissenschaftliche Fragestellung zielt auf das Verständnis der fundamentalen Prozesse und deren Abhängigkeit von den physikalischen und chemischen Bedingungen im interstellaren Raum, durch die sich die interstellare Materie zu dichten Wolken zusammenballt und schließlich neue Sterne entstehen. Diese Bedingungen für Sternentstehung werden maßgeblich durch die energetische Rückwirkung junger Sterne und die chemische Zusammensetzung des interstellaren Mediums aufgrund der Elementsynthese in früheren Sterngenerationen beeinflusst, und außerdem durch äußere Faktoren wie Galaxien-Kollisionen, die zu Sternentstehungsausbrüchen führen, und durch Wechselwirkung der interstellaren Materie mit Jets und zentralen Winden in aktiven galaktischen Kernen. Die bislang begrenzte Einsicht in die Mechanismen, die den Sternentstehungsprozess in verschiedenen Umgebungen kontrollieren, hat gezeigt, dass physikalische Prozesse auf breiten Skalen, angefangen von der großräumigen Ausbreitung von Strahlung und Stoßwellen, bis zur Mikrophysik der Reaktionsprozesse relevant sind und verstanden werden müssen. Die Komplexität der Phänomene führt zu einem erstaunlichen Reichtum in der chemischen Zusammensetzung und zu kleinsträumigen Variationen im interstellaren Medium. Beide haben wiederum Einfluss auf die Energiebilanz, aber insbesondere erlauben sie sehr spezifische diagnostische Möglichkeiten durch spektral und räumlich höchstaufgelöste Beobachtungen, die mit detaillierten Modellen verglichen werden. Die spektrale Signatur dieser Phänomene kann am besten im sub mm- und infraroten Spektralbereich untersucht werden. Das astrophysikalische Forschungsprogramm des SFB hat die Untersuchung dieser Fragen zum Ziel und nutzt die führende Rolle der SFB Partnerinstitute im Bereich der sub mm- bis Infrarot–Instrumentierung.Das strategische Ziel des SFB 956 ist es, durch Koordination der Forschung an den beteiligten Instituten in den vier Gebieten der experimentellen Astrophysik, der theoretischen Analyse und Modellierung, der Laborastrophysik und der Entwicklung von Detektoren und Instrumentierung einen sowohl auf nationalem wie auch internationalem Niveau wettbewerbsfähigen Verbund zu etablieren, der aufgrund genügender Ressourcen und einer gut organisierten Infrastruktur mit der schnellen Entwicklung in diesem Forschungsfeld Schritt halten kann. Astronomische Observatorien und deren Instrumentierung haben eine Größe erreicht, die nur von großen Konsortien und in internationaler Partnerschaft getragen und effizient genutzt werden kann. Eine erfolgreiche Teilnahme an diesen Kollaborationen und die adäquate Vertretung der Interessen der beteiligten lokalen Wissenschaftlergemeinschaft ist nur auf einer höchst-qualifizierten und effizienten Basis möglich, die Synergien nutzt und mittel- bis langfristig stabile Perspektiven für die Forschungsarbeit bietet, wie sie durch einen SFB ermöglicht werden. Als ebenso wichtiges Ziel will der SFB 956 ein herausforderndes und exzellentes Umfeld für die Ausbildung der Studierenden und des wissenschaftlichen Nachwuchses schaffen. Das attraktive Forschungsumfeld dieses SFB, das einen frühzeitigen Kontakt mit der aktuellen Forschung und den herausragenden instrumentellen Methoden im Labor und astronomischen Observatorien ermöglicht, und insbesondere die vielfältigen nationalen und internationalen Kollaborationen und der wissenschaftliche Austausch im Wettbewerb, wie sie in diesem SFB kultiviert werden, bilden dafür die besten Voraussetzungen.

Beteiligte Institutionen

Universität zu Köln (Sprecher-Hochschule)
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ)
University of Michigan, Ann Arbor, USA

Laufzeit

seit 2011

Website