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Ziel der Forschung sei es, Grundlagen für neue Laser oder Quantencomputer zu entwickeln. Man wolle herausfinden, wie sich die wechselseitige Einwirkung von Licht und Materie gezielt steuern lasse. Dabei setze man auch auf die Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Greifswald, aber auch aus Instituten im In- und Ausland. Mit dieser Kompetenz sollen dann auch Vorgänge im Innern des Planeten Jupiter untersucht werden.
Projektbeschreibung - Stand der Wissenschaft und Technik
Im Zentrum des Sonderforschungsbereichs stehen neue Phänomene des Zusammenspiels von Licht (oder allgemeiner: einem Strahlungsfeld) mit Materie. Es soll erstmals in einer koordinierten Forschungsanstrengung die Einwirkung von Strahlung mit Festkörpern, hier speziell mit Halbleiter-Quantentrögen und –Punkten sowie Clustern übergreifend behandelt werden.
Treffen beispielsweise ultrakurze Laser-Lichtpulse auf ein halbleitendes Material, so bilden sich unter geeigneten Bedingungen Elektron-Loch-Ensembles aus, die ihrerseits in besonderer Weise auf das Strahlungsfeld zurückwirken. Das ist das Gebiet der Halbleiter-Quantenoptik, in dem Möglichkeiten des Quantum Computing oder der Erzeugung neuartiger Quantenzustände (Bose-Einstein-Kondensation) erforscht werden. Bei drastisch stärkerer Anregung mit ultra-intensiven Lasern geht Materie vom atomaren Aufbau in ein dichtes Elektron-Ion-System (dichtes Coulombsystem) über. Dieser Zustand ist aus dem Inneren großer Planeten bekannt. Dabei wird der Sonderforschungsbereich als Novum Verfahren entwickeln, mit denen sich durch gezielte Manipulation der Lichtpulse der Energieeintrag in die Materie steuern lässt. Diese Ergebnisse könnten zur Entwicklung neuartiger Laser führen.
Problem / Herausforderung
Das grundlegende und übergreifende Problem in diesen aktuellen Forschungsfeldern besteht also in der Gegenwart eines Strahlungsfeldes, das komplexe und auf mikroskopischer Ebene miteinander verzahnte, also korrelierte und kollektive Vorgänge auslöst. Umgekehrt lässt sich das Strahlungsfeld auch dazu benutzen, solche Korrelationen zu identifizieren. Die Verbindung von Korrelations- und Strahlungsfeldaspekten wird damit zu einem universellen Konzept von fundamentaler Bedeutung entwickelt. Der Sonderforschungsbereich stellt sich der Herausforderung zu untersuchen, wie sich die gegenseitige Wechselwirkung von Licht und Materie steuern lässt. Dazu müssen theoretische Arbeiten Hand in Hand gehen mit Experimenten, die in den Labors am Standort, aber auch an externen Großforschungs-einrichtungen durchgeführt werden.
Ziel(e), Herangehensweise und Ausblick
Ziel der SFB-Förderung: Schwerpunktbildung an Hochschulen durch die temporäre Einrichtung von Exzellenzzentren; Förderung der interdisziplinären Kooperation; Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses. Die Anforderungen an ein solches Projekt sind wissenschaftliche Qualität und Originalität eines anspruchsvollen, aufwendigen und langfristig konzipierten Forschungsvorhabens auf internationalem Niveau.
Die im ersten Antragszeitraum angestrebten Ziele sind bereits anspruchsvoll, da wegen der umfangreichen Vorarbeiten zu den einzelnen Teilprojekten ohne lange Planungs- oder Vorlaufphasen mit den Untersuchungen begonnen werden kann. Tragende Ergebnisse sind nach kurzer Zeit zu erwarten. Auch die Vernetzung der Vorhaben ist im Vorfeld weitgehend erreicht worden. Dennoch sind im ersten Antragszeitraum weitere Anstrengungen notwendig, um die Zusammenarbeit zwischen den Teilprojekten zu intensivieren und SFB-übergreifende Kooperationen durch Kolloquien, Workshops und Internetaktivitäten zu stärken.
Das wissenschaftliche Ziel des ersten Antragszeitraums besteht darin, Korrelationseffekte in den genannten Systemen aufzuzeigen, wie es oben in den Schlüsselexperimenten bereits beschrieben wurde. Als ein Highlight erwarten wir die Entwicklung der Möglichkeit, mit strukturierten Lichtpulsen die Anregungen in den genannten Modellsystemen zu steuern. Die Arbeiten werden mit übergreifenden Vielteilchen-theoretischen Ansätzen begleitet. Als Beispiele seien zum Einen die beginnenden Untersuchungen in intensiven Lichtfeldern mit optischen Systemen und dem Freie-Elektronen-Laser (FEL) genannt. Es soll erreicht werden, die Ionisationsdynamik von Clustern und Partikeln durch Pulse Shaping zu steuern und theoretisch zu verstehen. Dazu ist es notwendig, die entsprechenden technischen Entwicklungen an den optischen Lasern vorzunehmen und den Umgang mit dem Licht des Hamburger FEL zu lernen. Vielleicht wird es bereits in der ersten Antragsphase gelingen, den FEL mit einem optischen Laser zu koppeln. Hinsichtlich der Clusterpräparation streben wir an, Experimente an größenselektierten Systemen durchzuführen. Zur theoretischen Untermauerung werden leistungsfähige Verfahren zur Vielteilchentheorie und zur Simulation auf quantenmechanischem Niveau entwickelt und eingesetzt. Diese betreffen sowohl die Entwicklung theoretischer Grundlagen und systematische Zugänge zu elementaren Prozessen, aber auch die Entwicklung von Hydro- und Molekulardynamik-Codes und TDLDA. Erwähnt seien hier auch Quanten-Molekulardynamik-Verfahren und die Particle-in-Cell-Methode. Des Weiteren wird theoretischer Vorlauf auch für zukünftige Vorhaben mit dem Röntgen-FEL erarbeitet. Zum anderen sollen Exzitonenensembles in wohl definierten Zuständen präpariert werden. Geeignete Messverfahren sind zu entwickeln, die eine eindeutige Korrelation zwischen Materiesystem und Lichtfeld erlauben, um dann durch Quantentomographie des Lichtes die exzitonische Korrelation nachweisen zu können. Dieses erfordert neben ausgefeilten Experimentiertechniken insbesondere die Zusammenführung der theoretischen Konzepte aus der Quantenoptik und der Vielteilchentheorie.
Teilprojekte
 | Projektbereich A: Optische Anregung stark korrelierter Coulombsysteme
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In diesem Projektbereich (PB) stehen dichte Coulombsysteme im Vordergrund, die durch Strahlungsfelder angeregt und/oder analysiert werden. Gegenstand der Untersuchungen sind Cluster und Partikel, warme dichte Materie, dichte Elektron-Ion-Systeme sowie Elektron-Loch-Systeme im Halbleiter.
| Projektbereich B: Korrelationsaufbau im Strahlungsfeld
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Im PB B steht der Korrelationsaufbau in Halbleitern, atomaren Kondensaten, Clustern und Nanopartikeln im Vordergrund. Es handelt sich um Systeme, die einerseits durch eine endliche Anzahl konstituierender Teilchen (oder im Halbleiter: gebundene Elektron-Loch-Paare (Exzitonen) als Quasiteilchen) charakterisiert sind, und andererseits mit dem Strahlungsfeld in Wechselwirkung stehen.
- A1: Metallcluster im Licht des VUV- und Röntgen-Freie-Elektronen-Lasers
Teilprojektleiter: Prof. Dr. Meiwes-Broer, Prof. Dr. Ronald Redmer, PD Dr. Josef Tiggesbäumker - A2: Thomson-Streuung und Korrelation in warmer dichter Materie
Teilprojektleiter: Prof. Dr. Ronald Redmer - A3: Korrelierte Prozesse bei der Photoanregung von gespeicherten Clustern und Partikeln
Teilprojektleiter: Prof. Dr. Lutz Schweikhard, Dr. Gerrit Marx, Prof. Dr. Meiwes-Broer - A4: Vielteilchen-Quantenelektrodynamik und dielektrische Response
Teilprojektleiter: Prof. Dr. Gerd Röpke, Dr. Heidi Reinholz - A5: Gesteuerte Einkopplung intensiver Laserpulse in Cluster und Nanopartikel
Teilprojektleiter: PD Dr. Josef Tiggesbäumker, . Dr. Meiwes-Broer - A6: Quantenkinetik dichter Coulombsysteme im Laserfeld
Teilprojektleiter: Prof. Dr. Manfred Schlanges, Dr. Thomas Bornath - A7: Phasenverhalten des Lichtes in optisch angeregten Halbleiterstrukturen
Teilprojektleiter: Dr. Günther Manske, Prof. Dr. Heinrich Stolz
- B1: Exzitonenmaterie in mesoskopischen Potenzialen
Teilprojektleiter: Prof. Dr. Heinrich Stolz - B2: Mikroskopische Beschreibung der Quantenoptik von Vielteilchensystemen
Teilprojektleiter: Prof. Dr. Werner Vogel, : Prof. Dr. Klaus Henneberger - B3: Exzitonische Cluster mit starker Kopplung an Lichtfelder
Teilprojektleiter: Prof. Dr. Holger Fehske, Prof. Dr. Heinrich Stolz - B4: Möglichkeit und Signaturen von Bose-Einstein-Kondensation in strukturierten Elektron-Loch-Systemen
Teilprojektleiter: Prof. Dr. Klaus Henneberger - B5: Kollektive Exzitonische Phasen in hochkorrelierten Elektron-Loch-Systemen
Teilprojektleiter: Prof. Dr. Holger Fehske, Prof. Dr. Gerd Röpke - B6: Strahlungsfeld-induzierte Korrelationen in Metallatom-Kondensaten
Teilprojektleiter: Prof. Dr. Meiwes-Broer
Partner / Arbeitsgruppen
Die Initiative wird durch experimentelle und theoretische Arbeitsgruppen des Instituts für Physik an der Universität Rostock getragen. Hinzu kommen gemeinsame Projekte mit dem Institut für Physik der Universität Greifswald. Zur Stärkung des experimentellen Gewichtes wurde in Rostock eine W3-Professur zur Thematik Atomare und/oder molekulare Dynamik eingerichtet. Mit diesen Aktivitäten werden Brücken zum Rostocker Institut für Chemie, zum Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik in Kühlungsborn sowie dem Leibniz-Institut für Organische Katalyseforschung in Rostock geschlagen.
Im Einzelnen umfasst die Forschungsumgebung des SFB die folgenden Einrichtungen:
Die Schwerpunkte Optik und Laserphysik, Nanostrukturierte neue Materialien sowie Teilchen und Felder sind im Institut beheimatet, während die Atmosphärenphysik und Physikalische Ozeanografie durch Leibniz-Institute getragen werden. Diese vier Schwerpunkte im Rostocker Institut für Physik bilden gleichzeitig die Vertiefungsrichtungen im neuen Master-Aufbaustudium und dem im Aufbau befindlichen Graduiertenstudium. Koordinierte Forschungs- und Ausbildungsaktivitäten dienen als Brücken zu anderen Einrichtungen. Diese Zusammenarbeit ist auch durch die beiden interdisziplinären Universitäts-Forschungs-schwerpunkte Laser in Naturwissenschaft, Technik und Medizin sowie Neue Materialien gekennzeichnet, durch die Zusammenarbeiten mit der Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik (Prof. Hassel) und der medizinischen Fakultät getragen werden. Der geplante Sonderforschungsbereich siedelt sich mit seinem Kern zwischen den Forschungsschwerpunkten des Instituts an. Dabei muss angemerkt werden, dass einzelne Arbeitsgruppen gleichzeitig mehreren Schwerpunkten zuzuordnen sind. Die offensichtlich starke Klammer des SFB wird eine nachhaltige Schärfung des Forschungsprofils des Instituts bewirken.
Eine wichtiger Stärkung erfährt der SFB durch die Beteiligung von drei Arbeitsgruppen des Instituts für Physik in Greifswald (AG Komplexe Quantensysteme, Prof. Fehske, AG Atom- und Molekülphysik, Prof. Schweikhard, AG Theorie dichter Plasmen, Prof. Schlanges). Insgesamt ergibt sich damit ein leistungsfähiges Forschungsteam für den Sonderforschungsbereich.
Der SFB steht im Zusammenhang mit dem Rostocker Universitäts-Forschungsschwerpunkt Laser in Naturwissenschaft, Technik und Medizin. Weiterhin bestehen Verbindungen zu verschiedenen ortsansässigen Instituten und sowie Firmen aus der Laserbranche. Schließlich werden erstmals und weltweit einmalig die neuen Möglichkeiten des Freie-Elektronen-Lasers am DESY Hamburg in eine solch übergreifende Forschungsanstrengung eingebunden.
Außerdem besteht eine Reihe fruchtbringender Kooperationen mit wissenschaftlichen Einrichtungen im Ausland. Einige wichtige Einrichtungen sind z.B. das Los Alamos National Laboratory (USA), das Lawrence Livermore National Laboratory (USA), das Sandia National Laboratory (Albuquerque, USA), das Institute for High Energy Density (Moskau, Russland), das ITEP (Moskau, Russland), das Institute for Chemical Physics (Chernogolovka, Russland), und das Optical Science Center (Tucson, USA).
Dem Sonderforschungsbereich (SFB) zum Thema „Licht und Materie“ des Instituts für Physik der Universität Rostock wurde nach zweitägiger Prüfung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) am 18.02.2009 von einem hochkarätigen Gutachtergremium Exzellenz bescheinigt. Die Gutachter bezeichneten den SFB „Licht und Materie“ als „Juwel in der deutschen Forschungslandschaft“.
Projektdetails
Laufzeit: 01.07.2005 - 30.06.2013
Homepage: www.physik.uni-rostock.de/sfb
Arbeitsgruppe: www.physik.uni-rostock.de/cluster Förderer: DGF
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Stilleben im Labor
Laserlicht trifft Nanoteilchen
Zur Ablenkung intensiver Laserpulse werden oft Prismen statt Spiegel benutzt - © - Meiwes-Broer
Coherent model 899 ring dye laser, with rhodamine 6G dye, pumped with a 514 nm argon laser. The laser is tuned somewhere around 580 nm.
Photo taken by Han-Kwang at the AMOLF Institute in Amsterdam, Netherlands. - Licence CC
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Öffentlich finanzierte Forschungsprojekte 
für Projekte
physik.uni-rostock.de
Dieser Inhalt ist auch in englischer Sprache verfügbar.
