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Fakultät für Physik und Geowissenschaften

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Forschungstätigkeit an der Fakultät

Die Forschung an der Fakultät für Physik und Geowissenschaften war im Jahr 2006 durch den weiteren Ausbau der nationalen und internationalen Forschungsverbünde sowie größere Investitionen geprägt. Im Rahmen der zweiten Runde der Exzellenzinitiative des Bundes ist die Physik zusammen mit anderen Partnern zur Antragstellung aufgefordert worden für die Graduate School „BuildMona“ und den Exzellenzcluster „Felix-Klein-Centre for Mathematical Sciences and their Applications“. Nach wie vor hat aber auch eine große Zahl von Projekten eine enge Verbindung zur Region und zu überregionalen Schwerpunkten im Freistaat Sachsen. Mit den Berufungen von Professor Dr. Jürgen Haase (Magnetische Resonanz komplexer Quantenfestkörper) und Professor Dr. Frank Cichos (Molekulare Nanophotonik) wurden aktuelle Forschungsrichtungen auf- und ausgebaut.

Übergreifende Forschungsverbünde der Fakultät

Internationales Graduiertenkolleg „Diffusion in porösen Stoffen“ (Sprecher: Prof. Dr. Jörg Kärger)
Diffusion, d. h. die ungeordnete Bewegung von Teilchen aufgrund ihrer thermischen Energie, ist ein grundlegendes Phänomen in der Natur. Sie kommt in allen Aggregatzuständen vor und ist von interdisziplinärer Bedeutung, da sie Gesichtspunkte der theoretischen Beschreibung, der experimentellen Beobachtung und der technischen Anwendung einschließt. In porösen Stoffen ist die Diffusion einer der entscheidenden Prozesse für den praktischen Nutzen dieser Materialien. An diesem Internationalen Graduiertenkolleg sind Wissenschaftler des Niederländischen Instituts für Katalyseforschung und der Universität Leipzig beteiligt. Gegenstand der Arbeiten in Forschung und Lehre ist der molekulare Stofftransport in porösen Materialien, wobei ein beträchtlicher Fortschritt in Theorie und Praxis dieses Themengebietes erwartet wird. Mittels theoretischer Grundlagenuntersuchungen und hochentwickelter Messtechniken sollen Beiträge zum Know-How dieser Hochtechnologie-Materialien und ihrer Anwendung in modernen technologischen Prozessen erarbeitet werden.
Schwerpunkte der Forschungsaktivitäten des Konsortiums sind (A) die intrakristalline zeolithische Diffusion, (B) die diffusionskontrollierte Katalyse und (C) der Zusammenhang zwischen Diffusion und Massentransport in porösen Medien.

Internationale Forschergruppe „Diffusion in Zeolithen“ (Sprecher: Prof. Dr. Jörg Kärger)
Ziel der Arbeiten dieser Forschergruppe ist, mittels verschiedenster experimenteller Techniken und theoretischer Modelle ein umfassendes Bild der intrakristallinen Diffusion in Zeolithen zu gewinnen. Bearbeitet wird die Synthese von Zeolithen und Composite-Materialien für Diffusionsmessungen (Projekt 1), Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichts-Messungen der Sorption in Zeolithen (Projekt 2), ZLC- und Tracer-ZLC-Diffusionsstudien mit Zeolithen (Projekt 3), Diffusionsstudien mit Composite-Membranen (Projekt 4), Studium der zeolithischen Diffusion durch Interferenz- und IR-Mikroskopie (Projekt 5), PFG-NMR-Studien der zeolithischen Diffusion (Projekt 6) und QENS-Studien der zeolithischen Diffusion (Projekt 7). Die Förderung erfolgt in Deutschland durch die DFG, in Frankreich durch das CNRS und in Großbritannien durch das EPSRC.

DFG-Forschergruppe 522 "Architektur von mikro- und nanodimensionalen Strukturelementen" (Sprecher: Prof. Dr. Marius Grundmann)

Zukünftige Anwendungen in der Nanomechanik, Sensorik, Photonik und Elektronik erfordern eine neuartige Architektur von Mikro- und Nanostrukturen, die zunächst als Einzelelement, später auch als Netzwerke, den zur Verfügung stehenden Raum voll ausnutzen. Hierdurch entstehen neue Freiheitsgrade beim Design, z. B. bezüglich des Verspannungsmanagements und der Konnektierbarkeit. Diesen Ansatz wollen wir verfolgen und die Herstellung von Nano- und Mikro-Säulen, -Spiralen, -Röllchen, Zylindern und ähnlichen Strukturen untersuchen, die mit neuartiger Funktionalität Grundbausteine für die genannten Anwendungen sind.

Die von uns angestrebten Strukturen werden konstruktiv im Raum gestaltet. Sie sollen mit geringem Aufwand an Strukturierungstechnologie, die Prinzipien von Selbstbau (self-assembly) oder gesteuerten Selbstbau (directed self-assembly) nutzend, erzeugt werden. Dieser buttom-up Ansatz ermöglicht es, qualitativ neuartige Strukturen (und mit ihnen verknüpfte Funktionalität) herzustellen, die durch künstliche Strukturierung grundsätzlich nicht zu erreichen sind, z. B. spiralige oder konzentrische Strukturen oder Strukturen mit extremen Aspektverhältnis.

Die von uns erzeugten Strukturen unterscheiden sich fundamental von den zur Zeit ausgiebig untersuchten Nanopartikeln oder Cluster einfacher Form und mesoskopischen Inhomogenitäten und Nanostrukturen, die zumeist planar in eine feste Matrix (Halbleiterquantenpunkte) oder in eine flüssige Matrix (kolloidale Matrix) eingebettet sind. Die komplexe dreidimensionale Formgestaltung der Einzelelemente, die auch Krümmungen enthalten können, führt zu neuartigen, anders nicht zu erreichenden geometriebestimmten Eigenschaften. Dieser Schritt von den bisher dominierenden einfachen geometrischen Strukturen hin zu komlexeren Strukturen mit Krümmung, mit eingebetteten Heterostrukturen oder mit nicht einfach-zusammenhängender Topologie ist bedeutend. Die makroskopische Welt wäre ohne Bauteile solcher (und noch viel komplizierter) Geometrie nicht denkbar. Bei erfolgreicher Arbeit dieser Forschergruppe wird ein neues Feld im Bereich der Nanotechnologie eröffnet sein. An den Arbeiten dieser Forschergruppe sind außer der Fakultät für Physik und Geowissenschaften die Fakultät für Chemie und Mineralogie, das Institut für Oberflächenmodifizierung und das Max-Planck-Institut für Mathematik und Naturwissenschaften, Leipzig und das Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, Halle/Saale beteiligt.

Exzellenznetz SANDiE „Self-Assembled semiconductor Nanostructures for new Devices in photonics and Electronics” (Koordinator: Prof. Dr. Marius Grundmann)
Das Exzellenznetz SANDiE dient der Verbesserung der Integration von europäischer Forschung im Bereich selbstorganisierter Halbleiter-Nanostrukturen. Das Netzwerk wurde im Juli 2004 gestartet und wird über eine Dauer von vier Jahren von der Europäischen Kommission mit 9,2 Millionen Euro unterstützt. In SANDiE sind 31 Partner aus 14 europäischen Ländern integriert, darunter finden sich 17 Universitäten, neun Forschungseinrichtungen sowie fünf industrielle Partner. Die Universität Leipzig koordiniert das Netzwerk.

Ziel von SANDiE ist es, die europäische Spitzenposition im Forschungsbereich selbstorganisierter Halbleiter-Nanostrukturen durch Bündelung der Aktivitäten zu sichern. Dabei wird zwischen den Partnern das Humankapital, die Ausrüstung, Ausbildung sowie die industrielle Verwertung der Ergebnisse integriert.

Die Forschungsgebiete im Einzelnen umfassen den Einsatz von selbstorganisierten Halbleiter-Nanostrukturen für langwellige Laseremission, für Intersubniveau-Übergänge sowie für Einzelphotonen-Kommunikation. Ferner werden selbstorganisierte Halbleiter-Nanostrukturen mit neuartigen Materialien und Strukturen erforscht und das Wachstum, die Physik und Bauelemente simuliert.

Für die Universität Leipzig sind die Fakultät für Physik und Geowissenschaften sowie die Fakultät für Chemie und Mineralogie (AK Halbleiterchemie) an SANDiE beteiligt. Die Forschungsschwerpunkte liegen beim Wachstum von ZnO- und Ga(As,N)-Nanostrukturen und bei Nano-Spintronik an InGaAs/GaAs-Quantenpunkten. Außerdem werden GaAs-Nanorolls hergestellt und untersucht.

Beteiligung an der Forschergruppe 404 „Oxidische Grenzflächen“ (Sprecherin: Prof. Dr. Ingrid Mertig, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg)
Oxide stellen eine Materialklasse dar, die sich durch eine große Vielfalt von Eigenschaften auszeichnet, weswegen sie in vielen Bereichen der Grundlagenforschung untersucht werden. Ausgehend von den Eigenschaften existiert eine Vielzahl von Anwendungen in der Katalyse, Elektronik, Photonik, Optoelektronik und in der Photovoltaik und im letzten Jahrzehnt auch in der Spinelektronik. Die Anwendungen der jüngeren Zeit beinhalten oft Oxide in reduzierter Dimension, das heißt Oxidfile und Übergitter. Die physikalischen Eigenschaften der Oxide in reduzierter Dimension unterscheiden sich jedoch durch das Vorhandensein von Ober- und Grenzflächen wesentlich von den Volumeneigenschaften. Der Aufklärung dieser Eigenschaften ist die Arbeit dieser Forschergruppe gewidmet. Die Fakultät für Physik und Geowissenschaften ist mit drei Teilprojekten (Institut für Experimentelle Physik II) an der Forschergruppe beteiligt.

International Max Planck Research School (IMPRS) und Naturwissenschaftlich-Theoretisches Zentrum (NTZ)

Das Institut für Theoretische Physik arbeitet eng mit dem Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften und dem Naturwissenschaftlich-Theoretischen Zentrum (Direktor: Prof. Dr. Wolfhard Janke) als Teil des Zentrums für Höhere Studien der Universität Leipzig zusammen. Insbesondere sind Mitglieder des Instituts an der International Max Planck Research School des MPI aktiv beteiligt.
Zentrum für magnetische Resonanz (Direktor: Prof. Dr. Dieter Freude)
In das Berichtsjahr fällt die weitere Etablierung des Zentrums.

Drittmittelgeförderte Forschung

Zahlreiche Forschungsvorhaben der Fakultät werden im Rahmen verschiedener Förderprogramme unterstützt, wie Projekte der Europäischen Union, Schwerpunktprogramme der Deutschen Forschungsgemeinschaft, Programme des Bundesministeriums für Bildung und Forschung und Programme des Freistaates Sachsen. Unter Berücksichtigung von zahlreichen Projekten im Normalverfahren der DFG wurden in der Fakultät im Jahre 2006 mehr als 250 Forschungsprojekte bearbeitet. In dieser Zahl sind auch viele Projekte enthalten, die auf Verträgen mit Städten und anderen kommunalen Verwaltungen im Freistaat Sachsen und darüber hinaus mit Industriebetrieben beruhen.

Kooperationspartner der Physik-Institute

Die wichtigsten Kooperationspartner im Bereich außeruniversitärer Forschungseinrichtungen am Standort Leipzig sind (in Klammern die kooperierenden Institute):

  • Institut für Oberflächenmodifizierung Leipzig (Institute für Experimentelle Physik I und II),
  • Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften Leipzig (Institut für Theoretische Physik, Institut für Experimentelle Physik II),
  • Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften (Institute für Experimentelle Physik I und II)

Darüber hinaus gibt es zahlreiche überregionale und internationale Kooperationen, die hier nicht einzeln aufgelistet werden können.

Kooperationspartner des Institutes für Meteorologie

  • Institut für Troposphärenforschung Leipzig
  • DLR Oberpfaffenhofen
  • Deutscher Wetterdienst
  • Institut für Physik der Atmosphäre Kühlungsborn
  • Institut für Energetik und Umwelt gGmbH
  • Geoforschungszentrum Potsdam

Kooperationspartner des Institutes für Geophysik und Geologie

  • Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle
  • GeoForschungsZentrum Potsdam
  • Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven und Potsdam
  • Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie

Kooperationspartner des Institutes für Geographie

  • Leibniz-Institut für Länderkunde, Leipzig
  • Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH – UFZ, Leipzig-Halle
  • Institutionen der Stadt- und Regionalplanung
  • Ungarische Akademie der Wissenschaften
  • Kommission für Landeskunde der Sächsischen Akademie der Wissenschaften
    Publikationen

Mit fast 400 im Druck erschienenen Publikationen (darunter eine hohe Zahl von Originalarbeiten in Zeitschriften mit Gutachter-System bzw. in international erfassten Monographien) belegt die Fakultät für Physik und Geowissenschaften ihre wissenschaftliche Leistungsfähigkeit.

Forschungsgebiete der Einrichtungen der Fakultät

Das umfangreiche Forschungsspektrum der Fakultät umfasst die im Folgenden angegebenen Gebiete, gegliedert nach Instituten und Abteilungen:

Institut für Theoretische Physik

Computerorientierte Quantenfeldtheorie (Leiter: Prof. Dr. W. Janke)
Hauptforschungsgebiete sind Computersimulationen von Phasenübergängen und kritischen Phänomenen. Die Anwendungen reichen von Untersuchungen von Spingläsern, verdünnten Magneten und anderen Materialien mit eingefrorener („quenched“) Unordnung bis hin zu Systemen weicher Materie mit Schwerpunkt auf fluktuierenden Polymeren und Grenzflächen sowie biologisch motivierten Fragestellungen zur Proteinfaltung, -aggregation und -adhäsion an Grenzflächen. Daneben werden auch die Physik fluktuierender Geometrien mit Anwendungen in der Quantengravitation, die statistische Mechanik komplexer Netzwerke und das Verhalten von magnetischen Systemen mit Hilfe von Quanten-Monte-Carlo Simulationen untersucht.

Quantenfeldtheorie und Gravitation (Sprecher: Prof. Dr. Gerd Rudolph)
Seit Oktober 2005 ist Herr Prof. Dr. Rainer Verch Mitglied der Abteilung. Sein Berufungsgebiet ist die Gravitationstheorie. Wir untersuchen relativistische Quantenfeldtheorie und Gravitation mit Bezug auf deren mathematische Strukturen (stratifizierte Struktur des klassischen Konfigurationraums, nichtperturbative Quantisierungsmethoden, allgemeine kovariante Quantenfeldtheorien und nichtkommutative Geometrien) und im Rahmen des perturbativen Zugangs (allgemeine Eichtheorien, Grundzustandsenergien und Casimir-Effekt).

Theorie der Elementarteilchen (Sprecher: Prof. Dr. Klaus Sibold)
Arbeiten zur Theoretischen Elementarteilchenphysik werden vor allem auf den Gebieten der Quantenfeldtheorie der Elementarteilchen, der Renormierung des Standardmodells, zu supersymmetrischen Theorien, zur Quantenchromodynamik und zur Gittereichtheorie durchgeführt. Im Zusammenhang mit Experimenten an Großbeschleunigeranlagen werden theoretische Untersuchungen zu Strukturfunktionen von Hadronen durchgeführt und Programme zur Simulation hadronischer Streuprozesse entwickelt.

Theorie der kondensierten Materie (Sprecher: Prof. Dr. Ulrich Behn)
Die Arbeiten auf dem Gebiet der Theorie der kondensierten Materie erfolgen in zwei Bereichen. Im Teilgebiet Strukturbildung werden Forschungen zu rauschinduzierten Phänomenen im Nichtgleichgewicht und zur nichtlinearen Dynamik und statistischen Physik des Immunsystems vorgenommen. Seit April 2005 arbeitet Prof. Dr. Klaus Kroy in Leipzig zur Dynamik weicher kondensierter Materie im Nichtgleichgewicht. Sein Themenspektrum reicht von der spontanen Entstehung von Sanddünen, der Beschreibung von Gelen aus adhäsiven Kolloiden und Proteinen, viscoelastischen Eigenschaften des Zytoskeletons bis zum Verhalten einzelner DNA-Moleküle unter Einfluss starker äußerer Felder.

Statistische Physik (Sprecher: Prof. Dr. Manfred Salmhofer)
Die Hauptforschungsgebiete sind die Konstruktion wechselwirkender Modelle der Quantenfeldtheorie und Quantenstatistischen Mechanik mit Renormierungsgruppenmethoden und die Theorie korrelierter Fermionsysteme in Zusammenhang mit der Hochtemperatur-Supraleitung.
Moleküldynamik/Computersimulation (Sprecher: PD Dr. Horst Ludger Vörtler)
Strukturelle Daten, thermodynamische Größen, das Phasenverhalten und die Transportkoeffizienten spezieller Vielteilchensysteme und ihre Abhängigkeit von inter- und intrakristalliner Wechselwirkung und der Struktur der Moleküle und Grenzflächen werden mittels molekularer Methoden der Statistischen Physik sowie der Perkolationstheorie und der Computersimulation erforscht. Die Theorie wird hinsichtlich der Berücksichtigung von nichtlinearen Effekten und des Nichtgleichgewichtsverhaltens weiterentwickelt. Berücksichtigt wird die Kopplung verschiedener molekularer Vorgänge wie Mischung, Adsorption, Beweglichkeit, Benetzung, chemische Reaktion, Selbstdiffusion und Transportdiffusion.

Institut für Experimentelle Physik I

Physik anisotroper Fluide (Sprecher: Prof. Dr. Friedrich Kremer)
Ziel der Arbeiten ist die Erforschung der Struktur und Dynamik supramolekularer Anordnungen, wie sie von Flüssigkristallen, niedermolekularer und polymerer Verbindungen gebildet werden. Diese Systeme besitzen einen hohen Grad an Kooperativität, der sich in der Ausbildung von molekularen Überstrukturen sowie in einer kollektiven Relaxationsdynamik niederschlägt. Als Untersuchungsmethoden werden die dielektrische Spektroskopie (im Frequenzbereich von 0,001 Hz bis 10 GHz), die magnetische Kernresonanzspektroskopie, die Kraftmikroskopie, die Oberflächen-Kraftmessung und die Polarisationsmikroskopie eingesetzt. In enger Kooperation mit dem Institut für Biochemie werden Experimente mit „Optischen Pinzetten“ zum Studium der Faltungsdynamik von RNA-Aptamer-Komplexen durchgeführt, die durch die „Sächsische Biotechnologische Initiative“ gefördert werden. Darüberhinaus werden im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms (SPP 1164) mikrorheologische Untersuchungen an Kolloiden mit gepfropften DNA-Ketten durchgeführt.

Grenzflächenphysik (Prof. Dr. J. Kärger)
Im Jahr 2006 konnte die Abteilung Grenzflächenphysik weitere Erfolge in Lehre und Forschung erzielen, wobei innerhalb der Forschung die Diffusion, insbesondere methodische Weiterentwicklungen von PFG NMR, Interferenzmikroskopie und IR-Mikroskopie, im Mittelpunkt standen. Die Arbeiten auf dem Gebiet der NMR-Diffusometrie und NMR-Spektroskopie sind integraler Bestandteil der Aktivitäten des Zentrums für Magnetische Resonanz unserer Universität.

Von den 21 Drittmittelprojekten, die 2006 bearbeitet wurden, verdienen das gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Amsterdam, Delft und Eindhoven weitergeführte Internationale Graduiertenkolleg "Diffusion in Porous Materials", die mit Unterstützung von EPSRC, CNRS and DFG weitergeführte Internationale Forschergruppe „Diffusion in Zeolites“, und unsere Arbeiten im Rahmen des EU-Projekts (Exzellenz-Netzwerkes) „In Situ Study and Development of Processes Involving Nanoporous Materials (INSIDE PORES) als von uns koordinierte Aktivitäten in internationalen Forschungsverbünden besondere Erwähnung. Einen besonders schönen Erfolg erzielte in diesem Zusammenhang Pavel Kortunov, der nicht nur in diesem Jahr als erstes Mitglied unseres internationalen Graduiertenkollegs promovierte, sondern dazu auch noch die von der Deutschen Zeolith-Vereinigung verliehene höchste Auszeichnung, den George-Kokotailo-Preis, erhielt und auf einem EU-Workshop in Montpellier für das beste Poster geehrt wurde.

Nachdem 2005 die Durchführung der internationalen Konferenz „Diffusion Fundamentals I“, die – als Beitrag zum Einsteinjahr – den grundlegenden Prinzipien von Theorie, Experiment und Anwendung der Diffusion gewidmet war, den Höhepunkt unserer Arbeiten darstellte, ging es uns 2006 insbesondere um die zielgerechte Fortsetzung dieser Aktivitäten und eine optimale Vorbereitung der zweiten Konferenz innerhalb dieser nun begründeten Serie in L’Aquila, Italien, im August 2007, mit dem University College London als Koorganisator. Die überwältigend positive Reaktion der etwa 250 Teilnehmer auf das wissenschaftliche Programm und das Rahmenprogramm haben uns bestärkt, damit den im Internet-Journal "Diffusion Fundamentals" eingeschlagenen Weg der Online-Publikation von Forschungsergebnissen gekoppelt an regelmäßig stattfindende Konferenzen fortzusetzen.

Die internationale Sonderstellung, die sich Leipzig auf diese Weise erworben hat, basiert auf der hohen Leistungsfähigkeit der NMR-Diffusometrie. Nachdem Dr. Petrik Galvosas 2005 seine Arbeit in unserer Abteilung zu dieser Thematik, insbesondere nach einem mehrjährigen Aufenthalt im Ausland, auf der Stelle einer Juniorprofessur wieder aufgenommen hat, freuen wir uns besonders darüber, dass ihm nunmehr mit Stefan Schlayer ein technischer Mitarbeiter zur Seite gestellt werden konnte. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen worden, dass wir in der messtechnischen Basis unseren eigenen ehrgeizigen Zielen und den aus den internationalen Projekten erwachsenden Erwartungen unserer Partner gerecht werden können. Die Etablierung dieser Juniorprofessur ist ein wesentlicher Meilenstein auf dem Entwicklungsweg der Abteilung, die den Ruf eines führenden methodischen Zentrums der NMR-Diffusometrie zu verteidigen hat.

Auf diesem Weg war die 8. Konferenz über „Magnetic Resonance in Porous Materials“ in Bologna im September 2006 ein besonderer Höhepunkt. Mit 11 Teilnehmern stellte unsere Abteilung nicht nur die zahlenmäßig größte Gruppe auf dieser, dem Kerngebiet unserer Aktivitäten gewidmeten Konferenz. Mit 4 Plenarvorträgen und 10 Postern trugen wir auch ganz entscheidend zum wissenschaftlichen Erfolg der Konferenz bei. Ausdruck der sehr positiven Aufnahme unserer Arbeiten durch die mehr als 200 Konferenzteilnehmer war wohl auch die Vergabe des Cesare-Borgia-Preises an unseren Kollegen Dr. Rustem Valiullin und die Einladung, nach Boston 2008, die Jubiläumskonferenz „Magnetic Resonance in Porous Materials X“ 2010 in Leipzig auszurichten.

Prominentester Gast unserer Abteilung im Berichtszeitraum war Professor Dr. Dhananjai B. Shah von der Cleveland State University, Ohio, USA, der ab Sommer 2005 für zwölf Monate in der Abteilung Grenzflächenphysik als Mercator-Professor tätig war. Professor Shah widmet sich dem Stofftransport verschiedener Komponenten in Membranen. Neben vielen gemeinsamen Publikationen verdient als besonderes Ergebnis seines Aufenthaltes hervorgehoben zu werden, dass wir unsere Zusammenarbeit im Rahmen der internationalen Forschergruppe „Diffusion in Zeolites“ fortsetzen werden, die damit also substantielle Verstärkung von Übersee erhalten hat.

Die ganz wesentlich durch Aktivitäten innerhalb der Abteilung entstandenen Bücher „Diffusion Fundamentals“ (J. Kärger, F. Grinberg, P. Heitjans, Leipziger Universitätsverlag 2005) und „Diffusion in Condensed Matter - Methods, Materials, Models“ (P. Heitjans, J. Kärger, Springer-Verlag 2005) haben einen so großen Zuspruch gefunden, dass bereits im ersten Jahr nach ihrem Erscheinen die Arbeiten zu (erweiterten bzw. modifizierten) Nachauflagen 2007 angelaufen sind.

Physik weicher Materie (Sprecher: Prof. Dr. Josef Käs)
In seinem Buch „What is Life?“ stellte Schrödinger die Frage, wie zelluläre Prozesse physikalisch und chemisch verstanden werden können. Seit den Anfängen von Watson und Crick hat sich die Wissenschaft einen enormen Einblick in die molekulare Basis biologischer Zellen verschafft. Über 25.000 Gene tragen die Informationen menschlichen Lebens. Deren Transkription und Übersetzung vergrößert die Komplexität molekularer Interaktionen, wobei sich eine nahezu unüberwindbare Anzahl von Wechselwirkungen offenbart. Durch das Identifizieren von zellulären Untereinheiten, die als unabhängige funktionale Module agieren, wird diese Komplexität durchschaubarer und die fundamentalen physikalischen Prinzipien dieser Module erklärbar. Ein Paradebeispiel eines solchen Moduls ist das als Zytoskelett bekannte intrazelluläre Gerüst. Das Zytoskelett ist das Schlüsselstrukturelement der zellulären Organisation und ist ein Indikator pathologischer Veränderungen der Zellfunktion. Es ist ein Verbund hochdynamischer Polymere und aktiver Nano-Elemente im Innern biologischer Zellen, die mechanisch und chemisch die Umwelt einer Zelle sondieren. Das Zellgerüst schafft Zellbewegung und Zellkräfte, die stark genug sind, um starre AFM Cantilever aus dem Weg zu drücken. Diese aktive, weich kondensierte Materie mit Strukturen im Nano- und Mikrometer – Bereich drängt nach einer neuen biologischen und polymeren Physik. Die Forschungsvorhaben der Abteilung „Physik weicher Materie“ sind auf ein größeres Verständnis dieser neuen Physik des Zytoskeletts ausgerichtet. Eine der spannendsten Aspekte dieser interdisziplinären Forschungsarbeit ist der Umstand, dass sie neben Erkenntnissen für die Naturwissenschaft gleichzeitig neue Anwendungsmöglichkeiten für die Medizin, zum Beispiel in der Onkologie, Neurologie und der Regenerativen Medizin eröffnet. Das gewonnene Wissen über die aktive biologische Materie, besonders in Bezug auf das Zusammenfügen von Nanobestandteilen hin zu komplexen molekularen Maschinen, wird auch für die Nanowissenschaften von großem Nutzen sein.

Institut für Experimentelle Physik II

Halbleiterphysik (Sprecher: Prof. Dr. Marius Grundmann)
Die optischen Eigenschaften von Halbleitern (z.B. GaAs, InP und ZnO sowie darauf basierende Mischkristalle), vor allem in Form von Schichten, ultradünnen Schichten, Heterostrukturen sowie drei-dimensionalen Mikro- und Nanostrukturen werden untersucht. Diese Strukturen weisen zum Teil wesentlich neue, quantenmechanisch bedingte Eigenschaften auf. Die Erforschung der Wachstums-Struktur-Eigenschaften stellt ein grundlegendes Anliegen dar. Diese Materialien besitzen in der Optoelektronik, in der nichtlinearen und der integrierten Optik eine herausragende Bedeutung. Oxidische Halbleiter, Supraleiter und Ferroelektrika werden mit gepulster Laser-Deposition hergestellt. Als Untersuchungsverfahren werden vorwiegend spektro-skopische Methoden, aber auch Röntgenbeugung, Raster- und Rastertunnelmikroskopie und Neutralteilchen-Massenspektrometrie eingesetzt.

Festkörperoptik und -akustik (Sprecher: Prof. Dr. Wolfgang Grill)
Grundlagenbezogene Untersuchungen werden zu Energietransferprozessen in Festkörpern durchgeführt, um ein besseres Verständnis der Wechselwirkung von Licht mit Festkörpern sowie der elementaren Prozesse beim Wärme- und Ladungstransport zu gewinnen. Die Untersuchung der Transportphänomene erfolgt in Einkristallen auch im ballistischen Bereich, in dem die Ausbreitung durch Anisotropie beeinflusst wird. Anwendungsbezogene Arbeiten erfolgen zur Entwicklung von Dünnschicht-Solarzellen und optisch aktiven Nanostrukturen. Zur Materialforschung und zur Charakterisierung von Werkstoffen, Implantaten sowie biologisch-medizinischen Präparaten werden neuartige rastermikroskopische Verfahren der Elektronenmikroskopie, der konfokalen Laser-Raman- und Lumineszenzmikroskopie sowie der Ultraschallmikroskopie mit Phasenkontrast entwickelt und eingesetzt.

Nukleare Festkörperphysik (Sprecher: Prof. Dr. Tilman Butz)
Die Lösung aktueller Probleme auf speziellen Gebieten der Materialwissenschaft und der medizinisch-biologischen Forschung erfordert den Einsatz moderner nuklearer Methoden wie der hochauflösenden Ionenstrahlanalytik sowie nuklearer Sonden. Dieses Anliegen wird vor allem mit der Hochenergie-Ionen-Nanosonde LIPSION mit für Deutschland einmaligen Spezifikationen und die Weiterentwicklung nuklearer Sondenverfahren – teils am Isotopenseparator ISOLDE am CERN, teils an der ESRF, Grenoble – verfolgt. Aktuelle Arbeiten befassen sich mit ortsaufgelöster Bioanalytik (Hirnforschung, Hautpenetration von Nanopartikeln), dem Einzelbeschuss lebender Zellen, der Ionenstrahlanalytik mikro- und nanodimensionaler Strukturelemente sowie der Ionenstrahlbearbeitung.

Supraleitung und Magnetismus (Sprecher: Prof. Dr. Pablo Esquinazi)
Die Abteilung Supraleitung und Magnetismus erforscht grundlegende magnetische Eigenschaften unterschiedlicher Materialien. Unsere Aktivitäten kann man in drei Bereiche unterteilen: (1) Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften sowie der Transporteigenschaften von Graphit und anderen kohlenstoffhaltigen Strukturen wie Polyimiden, (2) Untersuchungen der spin-abhängigen Transport-Phänomene an magnetischen Oxiden wie Fe3O4, (3) Transporteigenschaften und Wechselstromverhalten von supraleitenden Mikro- und Nanostrukturen unterschiedlicher Geometrien.
Magnetische Resonanz komplexer Quantenfestkörper (Sprecher: Prof. Dr. Jürgen Haase)
Die elektronischen Eigenschaften von Quantenfestkörpern, in denen die Ladungsträger starke Wechselwirkungen untereinander oder mit dem Gitter aufweisen, sind als Funktionsmaterialien zukünftig von besonderer Bedeutung. Gleichzeitig stellt das Verständnis dieser Materialien besondere Anforderungen an Experiment und Theorie, wie das Beispiel der Hochtemperatur-Supraleiter zeigt: Selbst nach 20 Jahren intensiver Forschung ist uns die elektronische Struktur dieser Materialien noch nicht bekannt. Festkörper mit starken Korrelationen bilden nicht nur neuartige quanten-elektronische Strukturen aus, man beobachtet ebenfalls, dass diese Strukturen selbst in ausgeprägt symmetrischen Gittern im Nanometerbereich inhomogen sein können (elektronische Nanostrukturen). Bei der Erforschung dieser und ähnlicher Materialien benötigt man Sonden, die in solchen Situationen wertvolle Informationen liefern können. Die Methoden der Magnetischen Resonanz (an Atomkernen und Elektronen) sind hier von besonderer Bedeutung. Sie besitzen atomare Auflösung und liefern darüber hinaus vielfältige Daten über die chemische und elektronische Struktur des Festkörpers, wobei besonders hervorzuheben ist, dass sie sich nicht etwa nur auf oberflächennahe Bereiche beschränkt, deren physikalische Eigenschaften natürlich von denen im tieferen Innern der Materialien verschieden sein können.

Bereich Didaktik der Physik (Sprecher: Prof. Dr. Wolfgang Oehme)
Das Forschungsprofil umfasst schulbezogene Arbeiten zur Vermittlung traditioneller und moderner Inhalte der Physik einschließlich empirischer Erprobungen. Lernformen im Physikunterricht, offener und fachübergreifender Unterricht sowie die Möglichkeiten des Einsatzes moderner Medien werden verstärkt untersucht.

Institut für Meteorologie

Allgemeine Meteorologie (Sprecher: Prof. Dr. Gerd Tetzlaff)
Im Mittelpunkt der Arbeiten steht die Beschreibung von Niederschlag in Mesoskalenmodellen, der Betrachtung von Extremwerten des Niederschlages, Klimaveränderungen des Niederschlagsgeschehens, Untersuchungen zur Wirkung von extremem Wetter. Die Validierung der Modelle erfolgt mit am Boden erhoben Beobachtungsdaten und unter Verwendung von Radar und Satellitendaten (z.B. GPS).
Theoretische Meteorologie (Sprecher: Prof. Dr. Werner Metz)

Forschungsschwerpunkt ist die natürliche atmosphärische Variabilität auf Zeitskalen von Wochen bis hin zu Dekaden. Insbesondere werden Anregung und Ausbreitung großskaliger Strömungssysteme in der Atmosphäre und die Rolle interner atmosphärischer Wechselwirkungsprozesse studiert. Zur Untersuchung der Bedeutung solcher Phänomene für die Allgemeine Atmosphärische Zirkulation und das Klima kommen konzeptionelle, mechanistische Modelle und Beobachtungsdaten zum Einsatz.
Hochatmosphäre (Sprecher: Prof. Dr. Christoph Jacobi)

Die Forschung umfasst die numerische Simulation der mittleren Atmosphäre von der Stratosphäre bis in die Thermosphäre unter Verwendung verschiedener Zirkulationsmodelle der Atmosphäre. Die Untersuchungen dienen zur Erstellung von Referenzatmosphären, zur Analyse von langfristigen Trends und zum Einfluss solarer Variabilität auf die hohe Atmosphäre. Dazu werden auch eigene bodengebundene Messungen hochatmosphärischer Parameter zusammen mit globalen Satellitendaten verwendet.

Akustik in der Atmosphäre (Sprecherin: Jun. Prof. Astrid Ziemann)
Schwerpunkt der Forschung ist die Modellierung und Messung von Schallausbreitungsparametern sowie die Bewertung von Schallimmissionen unter besonderer Berücksichtigung des Atmosphäreneinflusses. Verschiedene Systeme zum Monitoring meteorologischer Größen und von Schallparametern mit konventionellen Geräten und neuen Fernmessverfahren (akustische Tomographie) wurden entwickelt bzw. werden im Rahmen von Drittmittelprojekten angewendet.

Institut für Geophysik und Geologie

Geophysik (Sprecher: Prof. Dr. Michael Korn)
Die Physik der Erde setzt die Akzente auf die Gebiete globale geophysikalische Felder, Vulkanologie sowie Struktur und Prozesse der Lithosphäre. Untersucht werden auch Lockergesteine, Hohlräume und geologische Barrieren. Zum Einsatz kommen elektromagnetische Verfahren (z. B. geoelektrische Tomographie), Georadiometrie und numerische Modellierungen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Messung physikalischer Eigenschaften von Gesteinen und die Verknüpfung mit physikalischen und petrophysikalischen Parametern. Die Ingenieur- und Umweltgeophysik erforscht die obere Erdkruste mit Seismik, Georadar, Geomagnetik und Gravimetrie. Der Schwerpunkt liegt auf Kontaminationsflächen, Verfüllungen, Grundwasser, Deichen und Altbergbaugebieten mit ihren Auswirkungen auf besiedelte Gebiete. Die Theoretische Geophysik erforscht die tiefe Struktur der Erde sowie seismische und vulkanische Quellen. Seismische Wellen in komplexen Strukturen werden theoretisch und numerisch untersucht. Ein lokales seismisches Netz überwacht die tektonisch aktiven Gebiete Sachsens. Das geophysikalische Observatorium Collm (bei Oschatz) führt Langzeitbeobachtungen des seismischen, magnetischen und Schwerefeldes durch. Es ist Teil des Deutschen Seismologischen Regionalnetzes, und verfügt über einzigartige Möglichkeiten für Lehre und Forschung in allen Teildisziplinen der Geowissenschaften.

Geologie (Sprecher: Prof. Dr. Werner Ehrmann)
Im Mittelpunkt der Forschung steht die Geologie und Paläontologie des Känozoikums. Hierbei werden grundlegende Fragen des Tertiärs und Quartärs untersucht sowie anwendungsorientierte Forschungen zur Umwelt- und Hydrogeologie (mit besonderem Bezug zur mitteldeutschen Region) betrieben. Ein wichtiger Schwerpunkt ist die Paläoklimaforschung, bei der terrestrische, limnische und marine Archive im Umland von Leipzig und in anderen Schlüsselregionen der Erde (Antarktis, Arktis, Mittelmeer, Südatlantik) mit sedimentologischen, geochemischen und mikropaläontologischen Methoden untersucht werden. In der paläontologischen Forschung wird vor allem die Entwicklung der Biota des Känozoikums und die Interaktion von Biosphäre mit der Klimaentwicklung und Paläobiogeographie von Europa und dem nordatlantischen Raum untersucht. Die Geologisch-Paläontologische Sammlung stellt eine wichtige Grundlage für Lehre und Forschung sowie für die Öffentlichkeitsarbeit zur Popularisierung geowissenschaftlicher Forschung dar.

Institut für Geographie

Geographische Forschung konzentriert sich auf räumliche Strukturen und Prozesse im Lebensumfeld des Menschen. Mit wirtschafts- und sozialwissenschaftlichen sowie naturwissenschaftlichen Methoden werden raumbezogene Entwicklungen untersucht, bewertet und vorhergesagt, die durch natürliche Prozesse und menschliche Aktivitäten hervorgerufen werden.

Anthropogeographie, Regionale Geographie und Raumplanung (Sprecher: Prof. Dr. Reinhard Wießner)
Die anthropogeographische Forschung befasst sich mit stadt-, sozial- und wirtschaftsgeographischen Fragestellungen. Das Hauptinteresse ist auf den Einfluss des sozialen, wirtschaftlichen und technologischen Wandels auf städtische und regionale Strukturen ausgerichtet. Einen Schwerpunkt bildet die Analyse von Transformations- und Restrukturierungsprozessen in Städten und Regionen Ostdeutschlands und Ostmitteleuropas. Forschungsthemen betreffen u. a. Wohnungs- und Immobilienmärkte, Verkehr und Mobilität, Einzelhandel, wirtschaftsräumliche Entwicklungen und Fragen der nachhaltigen Stadt- und Regionalentwicklung. Unter stärkerer kulturgeographischer Orientierung stehen Fragen aus den Bereichen der Kulturlandschaftsforschung und symbolischer Geographien im Zentrum der Untersuchungen. Im Bereich der Raumplanung stehen Aspekte der Raumentwicklung und Regionalplanung in Mitteldeutschland im Vordergrund.

Physische Geographie und Geoökologie (Sprecher: Prof. Dr. Jürgen Heinrich)
Untersucht wird das Funktionieren geoökologischer Prozesse in räumlich differenzierten Strukturen der Landschaft im Zusammenhang mit der Lösung gesellschaftlicher Aufgaben einschließlich des Schutzes unserer Lebensumwelt. Den Schwerpunkt bildet dabei die Analyse und Bewertung von Ursachen, Wirkungen, Verbreitungs- und Rückkopplungsmechanismen von verschiedenen Formen der Bodendegradation mit den ökologischen, wirtschaftlichen und sozialen Randbedingungen. Hieraus werden Schlussfolgerungen zur nachhaltigen Entwicklung der Landschaftsnutzung und des Landschaftsschutzes abgeleitet. In der planungsbezogenen Umweltgeographie wird ein wichtiges Instrumentarium für die Analyse, Bewertung und das Management urbaner Landschaften entwickelt.

Geoinformatik und Geofernerkundung (Sprecher: Prof. Dr. Werner Kirstein)
Schwerpunkt der Arbeiten ist die Entwicklung und Anwendung innovativer Methoden der Geographie. Hierbei werden Datenerfassung und -auswertung für die Untersuchung lokaler, regionaler und globaler geographischer Fragestellungen eingesetzt. Im Rahmen der „Geoinitiative Leipzig“ werden regionale Problemstellungen für Leipzig und Sachsen bearbeitet. Mit Hilfe ausgewählter Methoden der Fernerkundung sind vergleichende Untersuchungen zur Bewertung des Flächenverbrauchs und zur nachhaltigen Entwicklung von Großstadtregionen eingeleitet worden. Es werden weiterhin auch Arbeiten durchgeführt zur globalen und regionalen Klimaproblematik und zur Versachlichung der Klimadiskussion in der Wissenschaft und in der Öffentlichkeit.

 

 

 

Home Zusammenstellung: Forschungskontaktstelle, 16.10.2007