Die Photonik befasst sich mit der Erzeugung, der Übertragung, der Verarbeitung und der Detektion von Licht. Dabei erschließt die Photonik das elektromagnetische Spektrum vom extremen Ultraviolett bis in den langwelligen Mikrowellenbereich. Die Photonik ist in unserem Alltag allgegenwärtig: Das Internet wäre ohne Glasfasern zur Datenübertragung, ohne die Laser, die die Daten durch die Glasfasern senden, ohne entsprechende Empfänger und Verteiler undenkbar. Assistenzsysteme in Fahrzeugen und die Vision einer autonomen Mobilität sind ohne optische Sensorik nicht zu realisieren. Laser gehören zu den wichtigsten Werkzeugen der Grundlagenforschung in der Photonik, sie finden sich aber auch in der Telekommunikation und der Mobilitätswirtschaft, werden in der Materialbearbeitung sowie für die additive Fertigung in der Industrie eingesetzt und erweisen sich immer öfter als unentbehrliches Analysewerkzeug in Medizin, Biologie, Chemie und Materialwissenschaft.

Werkzeuge und Methoden der Photonik werden in allen Arbeitsgruppen am Fachbereich entwickelt und eingesetzt. Forschungsschwerpunkte liegen auf der feldaufgelösten Spektroskopie, der hochpräzisen dreidimensionalen additiven Fertigung, optischen Quantensimulatoren, mikrooptischen Lichtquellen und Anwendungen, magnetooptischer Verfahren und Anwendungen, der Kontrolle von Quantenzuständen des Lichts und deren theoretischer Beschreibung. Ausgründungen aus dem Fachbereich und die Anbindung an das Fraunhofer ITWM und das IFOS ermöglichen den direkten Transfer in die Industrie.

Arbeitsgruppen

Biophysik und Ultrakurzzeitspektroskopie
Prof. Rolf Diller (Experimentalphysik)
Kohärente und nichtkohärente Relaxation in molekularen Systemen nach optischer Anregung

Theoretische Quantenoptik
Prof. Michael Fleischhauer (Theoretische Physik)
Langsames und gespeichertes Licht, Quanteninformation mit Photonen

Integrierte Optoelektronik und Mikrooptik
Prof. Henning Fouckhardt (Experimentalphysik/Technische Physik)
III/V-Halbleiterlaser und optoelektronische Mikrotropfenmanipulation

Optische Technologien und Photonik
Prof. Georg von Freymann (Technische Physik)
Laserbasierter 3D µ-Druck photonischer Materialen

Topologie in 3D photonischen Quantensimulatoren
Prof. Christina Jörg (Technische Physik)
Nichtlineare Phänomene in 3D-mikrogedruckten Wellenleiterarrays

Physik und Technologie der Nanostrukturen
Prof. Egbert Oesterschulze (Experimentalphysik)
Funktionalisierte Nanopartikelsysteme für die elektrochrome Mikrooptik

Optische Quantenmesstechnik
Prof. Ioachim Pupeza (Experimentalphysik)
Werkzeuge zur Kontrolle und Messung einzelner Schwingungen optischer Wellen

Ultrakurzzeitdynamik laserangeregter Festkörper
Prof. Bärbel Rethfeld (Angewandte Theoretische Physik)
Multiskalen-Modellierung von Laserabsorption bis Materialbearbeitung

Individual Quantum Systems
Prof. Artur Widera (Experimentalphysik)
Maßschneidern von photonischen Systemen für die Quantensensorik

Die Spinphysik befasst sich mit dem Magnetismus, magnetischen Phänomenen und der Quantenmechanik der Eigendrehimpulse von z.B. Elektronen. Die Spinphysik ist Basis zahlreicher technologischer Anwendungen. Diese erstrecken sich von Permanentmagneten über medizinische Diagnoseverfahren bis hin zur Quanteninformationsverarbeitung. Ohne Spinphysik wären Elektromotoren und Generatoren ebenso undenkbar wie die Speicherung der gigantischen Datenmengen im Internet. Forschende in der Spinphysik arbeiten unter anderem daran, die Wechselwirkung von Licht, Spin und Materie zu verstehen, und die Nutzung magnetischer Anregungen für Kommunikations- und Informationstechnologien zu ergründen.

Die Spinphysik nimmt eine zentrale Rolle am Fachbereich Physik ein. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf den dynamischen Eigenschaften von Spins sowie auf abbildenden Verfahren. Wir untersuchen Spins in Atomen, Molekülen und Festkörpern. Unsere Forschung schafft die Grundlagen neuartiger technologischer Anwendungen, die wir gemeinsam mit unseren Partnern aus Industrie und Ingenieurwissenschaften entwickeln. Unsere Aktivitäten in der Spinphysik werden im „Laboratory for Advanced Spin Engineering“ (LASE-Gebäude) gebündelt.

Arbeitsgruppen

Ultraschnelle Phänomene an Oberflächen
Prof. Martin Aeschlimann (Experimentalphysik)
Laserangeregte Spindynamik auf ultrakurzen Zeitskalen

Biophysik und Ultrakurzzeitspektroskopie
Prof. Rolf Diller (Experimentalphysik)
Optische Manipulation von Spin-Crossover-Komplexen

Grundlagen der Festkörper und Vielteilchensysteme
Prof. Sebastian Eggert (Theoretische Physik)
Spin und Ladung in Antiferromagneten mit eingeschränkten Dimensionen (1D, 2D)

Theoretische Quantenoptik
Prof. Michael Fleischhauer (Theoretische Physik)
Dissipative Spinsysteme und Vielteilchen-Spinphysik mit Rydbergatomen

Optische Technologien und Photonik
Prof. Georg von Freymann (Technische Physik)
Optische induzierte magnetische Landschaften und Terahertz Dynamik

Magnetismus
Prof. Burkard Hillebrands (Experimentalphysik/Technische Physik)
Spintronik und Magnonik

Theorie der Spinsysteme
Prof. Akashdeep Kamra (Theoretische Physik)
Spintransport und Dynamik in Magneten, Metallen und Supraleitern

Biophysik und Quantensensorik
Prof. Elke Neu-Ruffing (Experimentalphysik)
Kohärente Kontrolle einzelner Spins

Ultrakalte Quantengase und Quantenatomoptik
Prof. Herwig Ott (Experimentalphysik)
Spinphysik mit wechselwirkenden Rydbergatomen und Rydbergmolekülen

Nanoscaled Magnonic Hybrids
Prof. Philipp Pirro (Experimentalphysik/Technische Physik)
Spinwellen in Hybridsystemen für Logik und Datenverarbeitung

Ultrakurzzeitdynamik laserangeregter Festkörper
Prof. Bärbel Rethfeld (Angewandte Theoretische Physik)
Spinaufgelöste Elektronendynamik und Transport

Theoretische Halbleiteroptik und Quantenelektronik
Prof. Hans Christian Schneider (Theoretische Physik)
Dynamik der Wechselwirkung von Licht, Elektronen und magnetischen Anregungen

Biophysik und Medizinische Physik
Prof. Volker Schünemann (Experimentalphysik)
Dynamische Prozesse in molekularen Spin-Schaltern und Einzelmolekülmagneten

Angewandte Spinphänomene
Prof. Mathias Weiler (Experimentalphysik)
Spinkontrolle mit Strom, Schall, und Licht

Individual Quantum Systems
Prof. Artur Widera (Experimentalphysik)
Quantencomputing mit Rydbergatomen in optischen Pinzetten

Physik und Biophysik komplexer Grenzflächen
Prof. Chrsitiane Ziegler (Technische Physik)
Spinphänomene in organischen Dünnschichtsystemen

„Physics Meets Life Science“ ist das Motto der Biophysik. Die Biophysik ist eine fächerübergreifende Wissenschaft, die sich mit der Anwendung physikalischer und physikalisch-chemischer Methoden zur Erforschung elementarer und komplexer Vorgänge in der belebten Natur befasst. Erst physikalische Methoden ermöglichen die tiefgehende raum-zeitliche Beschreibung biologischer Prozesse auf molekularer und zellulärer Ebene bei höchster Auflösung. Sie sind damit unverzichtbar für die Aufklärung der so wichtigen Beziehung zwischen Struktur, Dynamik und Funktion biologischer Systeme. Dabei stehen biologische Fragestellungen auf der einen und experimentell-physikalische (tabletop bis Großforschungseinrichtung) sowie Computer-gestützte Methoden auf der anderen Seite in einem fortwährenden, fruchtbaren Wechselspiel, das unser Verständnis biologischer Prozesse immer wieder revolutioniert hat.

Unser Standort verfügt über ein breites Spektrum von Forschungsrichtungen, in deren Umfeld biophysikalische Fragestellungen bearbeitet werden. Zu nennen sind hier die Biospektroskopie, Membranbiophysik sowie die Biophysik an Grenzflächen und Nanostrukturen. Weiterhin zählen die Forschung an biologischen Systemen auf der molekularen Ebene sowie membrangebundene Prozesse bis hin zur Interaktion von Zellverbänden mit künstlichen Oberflächen und die Entwicklung von modernster Laser- und Quantentechnologie zu unserem Forschungsportfolio.

Arbeitsgruppen

Biophysik und Ultrakurzzeitspektroskopie
Prof. Rolf Diller (Experimentalphysik)
Ultraschnelle, funktionell fundamentale Prozesse in biologisch relevanten Molekülen

Biophysik und Quantensensorik
Prof. Elke Neu-Ruffing (Experimentalphysik)
Sensoren für Ströme und vieles mehr in den Lebenswissenschaften

Optische Quantenmesstechnik
Prof. Ioachim Pupeza (Experimentalphysik)
Molekulare Schwingungsspektroskopie biologischer Systeme

Biophysik und Medizinische Physik
Prof. Volker Schünemann (Experimentalphysik)
Eisenabhängige Prozesse in biologischen Systemen

Physik und Biophysik komplexer Grenzflächen
Prof. Christiane Ziegler (Technische Physik)
Interaktion biologischer Systeme und technischer Oberflächen

In der Festkörperphysik werden die Eigenschaften fester Materie erforscht, die als Materialien in unserem Alltag allgegenwärtig sind. Besonders faszinierend sind dabei aktuelle Anwendungen wie z.B. die Elektronik, Informationsverarbeitung, moderne Sensoren oder Quanteninformationssysteme, die durch die Forschung der Festkörperphysik in immer kleinere Dimensionen vorstoßen können. Die elektrischen, magnetischen, thermischen oder optischen Eigenschaften hängen oft nicht nur vom Material, sondern auch von der Strukturgröße ab: eine Erkenntnis, die den Bereich der Nanotechnologie vorangetrieben hat. Dabei spielen Oberflächeneffekte eine entscheidende Rolle, die entsprechend in der Oberflächenphysik untersucht werden. Die Festkörperphysik ist in hohem Maße interdisziplinär und schlägt Brücken insbesondere zur Chemie und zu den Ingenieurwissenschaften, aber auch zur Medizintechnik.

Unser Fachbereich widmet sich einem breit gefächerten Spektrum aktueller Themen der Festkörperphysik, sowohl in experimenteller als auch theoretischer Hinsicht. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Erforschung fundamentaler ultraschneller Phänomene in Festkörpern, an deren Oberflächen und in Nanostrukturen. Diese bilden die Grundlage für neue innovative Sensoren und andere elektronische sowie photonische Bauelemente. Die Erforschung und Weiterentwicklung neuartiger magnetischer, photonischer und organischer Materialien und deren Nanostrukturen ist zentral in den experimentellen Arbeitsgruppen verankert. Hier bestehen auch enge Verknüpfungen zu den Werkstoff- und Materialwissenschaften. Ein weiterer zentraler Schwerpunkt unserer Arbeit liegt in der kontinuierlichen Verbesserung experimenteller und numerischer Methoden im Bereich der Festkörper- und Oberflächenphysik, die uns so einen immer detaillierteren Blick sowohl auf fundamentale Größen als auch anwendungsnahe Problemstellungen der Industrie erlauben. Hierdurch besteht auch eine enge Verzahnung mit den Aktivitäten des IFOS.

Arbeitsgruppen

Ultraschnelle Phänomene an Oberflächen
Prof. Martin Aeschlimann (Experimentalphysik)
Ultraschnelle elektronische und photonische Phänomene an Festkörperoberflächen, ultradünnen Schichten und in Nanostrukturen

Grundlagen der Festkörper und Vielteilchensysteme
Prof. Sebastian Eggert (Theoretische Physik)
Quantenphasenübergänge und kollektive Anregungen in wechselwirkenden Modellsystemen für Festkörper

Integrierte Optoelektronik und Mikrooptik
Prof. Henning Fouckhardt (Experimentalphysik/Technische Physik)
Technologien zur Herstellung optoelektronischer Bauelemente und Messtechniken dafür

Magnetismus
Prof. Burkard Hillebrands (Experimentalphysik/Technische Physik)
Materialien für die Spintronik und Magnonik

Topologie in 3D photonischen Quantensimulatoren
Prof. Christina Jörg (Technische Physik)
Photonische Modellsysteme für topologische Festkörperphänomene

Theorie der Spinsysteme
Prof. Akashdeep Kamra (Theoretische Physik)
Gekoppelte Spin-, Gitter- und Exzitonendynamik

Physik und Technologie der Nanostrukturen
Prof. Egbert Oesterschulze (Experimentalphysik)
Funktionalisierte Oberflächen für die heterogene Kondensation und mikrofluidische Anwendungen

Nanoscaled Magnonic Hybrids
Prof. Philipp Pirro (Experimentalphysik/Technische Physik)
Spinwellen in Hybridsystemen für Logik und Datenverarbeitung

Ultrakurzzeitdynamik laserangeregter Festkörper
Prof. Bärbel Rethfeld (Angewandte Theoretische Physik)
Wechselwirkungen von Licht, Elektronen und Gitterschwingungen fernab des thermodynamischen Gleichgewichts

Theoretische Halbleiteroptik und Quantenelektronik
Prof. Hans Christian Schneider (Theoretische Physik)
Elektronische und optische Eigenschaften von Festkörpern fern vom Gleichgewicht 

Angewandte Spinphänomene
Prof. Mathias Weiler (Experimentalphysik)
Akustische Oberflächenwellen

Physik und Biophysik komplexer Grenzflächen
Prof. Chrsitiane Ziegler (Technische Physik)
Oberflächen- und Grenzflächeneffekte organischer und anorganischer Halbleiter

Die Quantenoptik untersucht die Quantenphysik des Lichts, einschließlich seiner Wechselwirkung mit der Materie und seiner praktischen Anwendungen. Die verblüffendsten Paradoxa der Quantenphysik werden jeden Tag in quantenoptischen Laboren beobachtet, wobei Technologien eingesetzt werden, die einzelne Atome, Elektronen und Photonen nachweisen und auch höchstpräzis steuern können. Um die Technologie von heute vollständig zu verstehen, braucht man die Quantenmechanik, und in der Quantenmechanik suchen wir nach den revolutionären neuen Technologien von morgen, von der Quanteninformatik über Sensoren mit fantastischer Empfindlichkeit und Präzision bis hin zur detaillierten Kontrolle mikroskopischer Prozesse aller Art.

Unser Fachbereich befasst sich eingehend mit der Quantenoptik und der Physik ultrakalter Quantengase. Wir arbeiten in Theorie und Experiment am besseren Verständnis Grundlagen und Anwendungen von Quantensystemen. Dazu gehören Konzepte wie Topologie und Quantenchaos, die auch in wechselwirkenden Quantensystemen (Quanten-Vielteilchensystemen) vorherrschen. Wir suchen nach Möglichkeiten, diese Konzepte anzuwenden, um radikal neue mikroskopische Arten von Sensoren, Schaltern und Motoren herzustellen, indem sie einzelne Atome mit Laser- und Elektronenstrahlen manipulieren, einzelne Moleküle mit enormer Ausdehnung realisieren, kontrollierbare Simulationen von Festkörpersystemen wie Supraleitern bauen, oder durch Quantenphänomene verbesserte oder sogar angetriebene Motoren und Quantencomputer mit echter praktischer Leistung herzustellen.

Arbeitsgruppen

Grundlagen der Quantenphysik
Prof. James R. Anglin (Theoretische Physik)
Mikroskopische Wurzeln der Thermodynamik in der nichtlinearen Quantendynamik

Grundlagen der Festkörper und Vielteilchensysteme
Prof. Sebastian Eggert (Theoretische Physik)
Stark-korrelierte getriebene Quantensysteme im Nicht-Gleichgewicht

Theoretische Quantenoptik
Prof. Michael Fleischhauer (Theoretische Physik)
Offene Quantensysteme, Nichtgleichgewichtsphänomene und Topologie

Optische Technologien und Photonik
Prof. Georg von Freymann (Technische Physik)
Photonische Bose-Einstein-Kondensate und Quantensimulatoren

Magnetismus
Prof. Burkard Hillebrands (Experimentalphysik/Technische Physik)
Magnonische Bose-Einstein-Kondensate

Topologie in 3D photonischen Quantensimulatoren
Prof. Christina Jörg (Technische Physik)
Quantensimulation in 3D photonischen Strukturen

Theorie der Spinsysteme
Prof. Akashdeep Kamra (Theoretische Physik)
Quantenmagnonik und Informationswissenschaft

Biophysik und Quantensensorik
Prof. Elke Neu-Ruffing (Experimentalphysik)
Quantensysteme als Sensoren

Ultrakalte Quantengase und Quantenatomoptik
Prof. Herwig Ott (Experimentalphysik)
Ultrakalte Quantengase und Quantencomputing

Optische Quantenmesstechnik
Prof. Ioachim Pupeza (Experimentalphysik)
Optische Korrelationsmessungen im Zeitbereich

Theoretische Halbleiteroptik und Quantenelektronik
Prof. Hans Christian Schneider (Theoretische Physik)
Elektronische und (quanten-)optische Eigenschaften komplexer Materialien

Individual Quantum Systems
Prof. Artur Widera (Experimentalphysik)
Untersuchung ultrakalter Quantengase und Dynamik einzelner Atome