Schwerpunkte der Physik

Astrophysik

Der Studienschwerpunkt Astro- und Geophysik wird in Kooperation zwischen dem Institut für Astrophysik und dem Institut für Geophysik angeboten.

Die Astrophysik gliedert sich in fünf Arbeitsgruppen, die sich mit Themen aus der Sonnenphysik, stellaren Astrophysik, galaktischen und extragalaktischen Astrophysik sowie Kosmologie beschäftigen. In Göttingen stehen hauptsächlich zu Lehrzwecken ein 50mm-Spiegelteleskop und ein Vakuum-Vertikalteleskop zur Sonnenbeobachtung zur Verfügung. Für die Forschung verfügt die Göttinger Astrophysik unter anderem über Beobachtungszeit an den Teleskopen Hobby-Eberly-Telescope (HET), dem größtem Einzelteleskop auf der Nordhalbkugel, und dem Southern African Large Telescope (SALT), dem Gegenstück auf der Südhalbkugel.

Darüber hinaus werden Daten des Hubble-Space-Teleskop, der Röntgensatelliten Chandra und XMM-Newton und der Weltraumobservatorien SOHO und STEREO mit leistungsfähigen Rechnern ausgewertet und durch theoretische Modelle sowie aufwendige numerische Simulationen interpretiert. Hochqualifizierte feinmechanische und elektronische Werkstätten erlauben den Bau von Teleskopen und Nachweisinstrumenten, wie z.B. Spektrographen. Kooperationspartner der Astrophysik vor Ort ist das MPI für Sonnensystemforschung im Uni-Nordbereich.

Folien der Astrophysik von der letzten Informationsveranstaltung

Biophysik und Physik der komplexen Systeme

Die Biophysik und die Physik komplexer Systeme sind stark interdisziplinär ausgerichtete Forschungsgebiete mit vielfältigen Vernetzungen innerhalb der Universität und mit den außeruniversitären Forschungseinrichtungen in Göttingen. In der Fakultät für Physik ist das Gebiet durch viele neue Gruppen inzwischen prominent etabliert und wird als Studienschwerpunkt angeboten. Neben dem III. Physikalischen Institut sind an diesem Studienschwerpunkt das Institut für Röntgenphysik, das Institut für Nichtlineare Dynamik, das Institut für Theoretische Physik, das Courant-Forschungszentrum Nano-Spektroskopie und Röntgenbildgebung und die Max-Planck-Institute für Dynamik und Selbstorganisation und für biophysikalische Chemie beteiligt.

Forschungsthemen im III. Physikalischen Institut reichen von der Dynamik einzelner biologischer Makromoleküle über mesoskopische physikalische Eigenschaften von biologischen Materialien bis zur komplexen Dynamik ganzer lebender Zellen, der Funktion ganzer Organe (Erregungsmuster des Herzmuskels) und zur Funktion neuronaler Systeme in Wechselwirkung mit ihrer Umgebung. Außerdem werden nichtlineare und komplexe dynamische Systeme, u.a. Synchronisations­phänomene und akustische Kavitation, untersucht.

Die Arbeitsgruppen setzen eine Vielzahl moderner experimenteller Techniken ein, unter anderem Einzelmolekül-Fluoreszenz­mikroskopie und -spektroskopie, höchstauflösende Lichtmikroskopie, optische Fallen, Rasterkraftmikroskopie und Mikrorheologie, Ultraschallspektroskopie und computergestützte Simulationsmethoden bis hin zur Konstruktion lernender Roboter. Im Rahmen des Exzellenzclusters "Microscopy at the Nanometer Range" wurde eine Nachwuchsgruppe für Kraftmikroskopie etabliert.

Das Institut für Röntgenphysik beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung von modernen Röntgen-Bildgebungsverfahren für komplexe Fluide und biomolekulare Substanzen, insbesondere der linsenlosen Abbildungen mit Röntgenstrahlung, der Röntgenoptik, der Röntgenspektro­mikroskopie sowie der zeitaufgelösten Röntgenstreuung. Zu diesem Themenkomplex wurde aus Mitteln der der Exzellenzinitiative auch ein Courant-Forschungszentrum mit zwei Nachwuchsgruppen aufgebaut.

Arbeitsgebiet des Instituts für Nichtlineare Dynamik / MPI für Dynamik und Selbstorganisation sind Fragen Nichtlinearer Dynamik (Computational Neuroscience, Nanostrukturen, Quantenchaos, Stochastische Prozesse, neuronale Dynamik), Hydrodynamik, Strukturbildung und Nanobiokomplexität sowie Dynamik komplexer Fluide.

In der Theoretischen Physik beschäftigen sich drei Arbeitsgruppen mit komplexen Systemen, Biophysik und weicher Materie. Diese setzen Computersimulationen, analytische Methoden der statistischen Physik, numerische Molekularfeldtheorie und die Modellierung stochastischer Prozesse ein, um Fragestellungen zu Phasenseparation, Strukturbildung und Kinetik, biologischen und synthetischen Membranen, Polymernetzwerken, Systemen mit eingefrorener Unordnung, Flüssigkristallen, stochastischen Prozessen, komplexen Netzwerken sowie granulare Medien zu bearbeiten.

Die Masterarbeitsphase kann auch in einer beteiligten Arbeitsgruppen des MPI für biophysikalische Chemie, des MPI für Dynamik und Selbstorganisation, des DLR oder der Universitätsmedizin absolviert werden. Zum Netzwerk des Studienschwerpunktes in Göttingen gehören darüber hinaus auch das MPI für experimentelle Medizin und Forschungseinrichtungen wie das Bernstein Center for Computational Neuroscience (BCCN), das DFG Forschungszentrum Molekularphysiologie des Gehirns (CMBP) und die International Max Planck Research School for Physics of Biological and Complex Systems innerhalb der GGNB Graduiertenschule.

Festkörper- und Materialphysik

Die Physik der kondensierten Materie unterscheidet sich aufgrund der komplexen Wechselwirkung der Bausteine der Materie erheblich von der Physik freier Teilchen. Neuartiges Verhalten durch starke elektronische Korrelationen oder geänderte/­modifizierte Eigenschaften durch Nanostrukturierung oder Herstellung und Einsatz komplexer Materialien stehen sowohl in der Universität als auch der Industrie im Zentrum aktueller Forschung.

Der Zugang der Festkörperphysik startet auf atomarer Skala und bedingt in aller Regel eine quantenmechanische Beschreibung der Vielteilchensysteme. Die Materialphysik ist im Grenzbereich zwischen Physik, Chemie und den Materialwissenschaften zu finden, wobei grundlegende Korrelationen zwischen der Mikrostruktur eines Materials und den resultierenden Eigenschaften untersucht werden. Die Entwicklung zu nanostrukturierten, komplexen Materialien erfordert eine umfassende Kompetenz auf beiden Gebieten. Mit dem Masterprogramm-Studienschwerpunkt Festkörper- und Materialphysik wollen wir dieser Entwicklung Rechnung tragen. Während die „klassische“ Festkörperphysik im Lehrplan vieler Universitäten auftaucht, wird die Kombination Festkörper- und Materialphysik nur an wenigen Orten angeboten.

Um eine vielseitige und umfassende Ausbildung auf dem Gebiet Festkörper Materialphysik zu gewährleisten, beinhaltet das strukturierte Studium in der Anfangsphase sowohl den Festkörper- als auch den materialwissenschaftlichen Aspekt (siehe Curriculum SSP FMP). Parallel bieten wir bereits ab dem ersten Semester Spezialvorlesungen an, die auf eines der vielfältigen Forschungsprojekte hinführen.

Die das Studium abschließende Masterarbeit im 3.und 4. Semester wird eng gekoppelt an ein aktuelles Forschungsprojekt durchgeführt und führt häufig zur Promotion in verwandten Themenbereichen. Beispielhaft sei hier der seit 2002 existierende DFG-Sonderforschungsbereich (SFB) 602 „Komplexe Strukturen in kondensierter Materie von atomarer bis mesoskopischer Skala“ genannt, dessen Kern durch die Arbeitsgruppen dieses Studienschwerpunktes gebildet wird.

Die Festkörper- und Materialphysik in Göttingen steht für ein extrem breites und modernstes Spektrum an Charakterisierungs- und Herstellungsmöglichkeiten von Materialien unterschiedlichster Art. Bereits in Praktika können Methoden zur Charakterisierung wie Röntgenstrukturanalyse, elektrischer Transport und spezifische Wärme bei tiefen Temperaturen und in großen Magnetfeldern, höchstauflösende Elektronenmikroskopie und Rastersondenspektroskopie, Molekularstrahlepitaxie zur Herstellung von Halbleiterschichtsystemen auf Atomebene, neueste Lithographie- und Reinstraumtechnologie zur lateralen Strukturierung im Nanometerbereich kennengelernt werden. Die laufenden Projekte decken einen weiten Bereich von Materialien ab, angefangen bei nanokristallinen Metallen und Legierungen über Gläser, Multilagen-Systeme, nanoporöse Strukturen bis hin zu Polymeren, komplexen Oxiden und Halbleiter-Heterostrukturen.

Die Theoretische Physik beschäftigt sich auf dem Gebiet Festkörper- und Materialphysik mit verschiedenen Fragestellungen in der theoretischen Beschreibung von elektronischen Eigenschaften von Feststoffen bzw. Festkörpern. Die Forschung zielt darauf ab, Modelle und Methoden für eine kontrollierte Beschreibung von Wechselwirkungseffekten in Festkörpern zu entwickeln. Die konkreten Systeme, mit denen sich die Arbeitsgruppe zur Zeit beschäftigt, sind unter anderen sogenannte Quantenpunkte und Quantendrähte, niedrig-dimensionale Systeme mit konkurrierenden Wechselwirkungen und Materialien, bei denen wechselwirkungsbedingte Metall-Isolatorübergang ("Mott-Hubbard-Übergang") auftreten. Als Methoden werden analytische Rechnungen, Quanten-Monte-Carlo Simulationen, dynamische Mean-Field-Theorie, exakte Diagonalisierungsverfahren und numerische Renormierungsgruppenmethoden verwendet.

Am Masterprogramm mit Studienschwerpunkt Festkörper- und Materialphysik beteiligen sich fünf der zehn Institute der Fakultät für Physik: das I., II. und IV. Physikalische Institut, die Materialphysik sowie das Institut für theoretische Physik. Zusätzlich sind die Materialwissenschaften in der Fakultät für Chemie vertreten und es besteht eine enge Kooperation mit dem Laser-Laboratorium Göttingen e.V., einem international renommierten Forschungsinstitut.

Folien der Materialphysik von der letzten Informationsveranstaltung

Geophysik

In der Geophysik gibt es drei Arbeitsgruppen. Eine Besonderheit der Göttinger Geophysik ist, dass numerische und Laborexperimente zur Konvektion sowie elektromagnetische Messungen zu Geodynamischen Fragestellungen den Schwerpunkt der Forschung ausmachen und sich die Arbeitsgruppen mit Seismologie nur am Rande beschäftigen. Forschungsfelder sind Experimentelle Geodynamik, Geophysikalische Strömungsmechanik und Elektromagnetische Tiefenforschung.

In der Geophysik können im Rahmen der Masterarbeit Geländemessungen im Rahmen eines Forschungsprojektes oder in einem eigenen kleinen Projekt im In- oder Ausland durchgeführt und ausgewertet werden.

Im Profilbereich wird Studierenden im Studienschwerpunkt Astro- und Geophysik, die noch keine Programmiersprache beherrschen, empfohlen, einen entsprechenden Programmierkurs zu belegen.

Kern- und Teilchenphysik

In der Göttinger Kern- und Teilchenphysik beschäftigen sich vier Professuren, eine Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe, eine Juniorprofessur sowie etwa 15 Postdocs mit Hochenergiephysik und Ionenstrahlphysik. Die Gruppe Hochenergiephysik ist an mehreren großen Experimenten in der Datenauswertung und Detektorentwicklung beteiligt. Daten des ATLAS-Detektors des LHC am CERN (Genf) wird sie mit dem Ziel auswerten, Nachweise für Supersymmetrie und das Higgs Boson zu finden. Daneben werden die ATLAS-Daten zur weiteren Erforschung von Top Quarks dienen. Momentan verwendet die Arbeitsgruppe hierfür Daten aus dem D0-Experiment am Teilchenbeschleuniger Tevatron am Fermilab (Chicago). Darüber hinaus leistet die Gruppe einen Beitrag zur Entwicklung neuer Detektoren für Beschleuniger, unter anderem für den geplanten International Linear Collider (ILC) und das Upgrade des Belle-Experiments. Auch an einem Pixeldetektor für die Weiterentwicklung des ATLAS-Detektors wird bereits gearbeitet. Um die für Datenauswertungen benötigte Rechenleistung zur Verfügung zu haben, beschäftigt sich die Göttinger Hochenergiephysik auch mit Grid Computing und ist maßgeblich am Göttinger Grid-Ressourcenzentrum GöGrid beteiligt.

Die Gruppe Ionenstrahlphysik betreibt fünf Ionenbeschleuniger mit Energien von ein paar Elektronvolt bis zu mehreren Megaelektronvolt. Das Forschungsinteresse gilt vor allem der Physik dünner Schichten, Nanostrukturierung, Nanopräzipitate, Halbleiterphysik, Optoelektronische Materialien und Ionenstrahlanalytik. Dabei kommen vor allem kernphysikalische Methoden zur Materialcharakterisierung zum Einsatz.

Aus der Theoretischen Physik ist die Arbeitsgruppe Quantenfeldtheorie und Gravitation am Studienschwerpunkt beteiligt. Diese befasst sich mit Fragen der Konstruktion und Klassifikation von Quantenfeldtheorien und entwickelt mit Blick auf Symmetrien und Teilchen Methoden zur Analyse und Interpretation. Ein weiteres Arbeitsgebiet ist die begriffliche und methodische Weiterentwicklung der Quantenfeldtheorie auf thermische Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtszustände sowie auf Systeme mit Gravitation.

Interessante Module für den Profilbereich bietet zum Beispiel die Mathematischen Fakultät, die unter anderem Veranstaltungen zu den mathematischen Grundlagen der Theoretischen Kern- und Teilchenphysik sowie im Bereich Statistik anbietet. An der Informatik können unter anderem Seminare zum Grid Computing belegt werden.

Für einzelne Studierende kann im Rahmen der Masterarbeit ein Forschungsaufenthalt bei einer internationalen Forschungseinrichtung wie CERN, Fermilab oder DESY ermöglicht werden.

Theoretische Physik

Die Theoretische Physik in Göttingen ist ungewöhnlich breit aufgestellt und arbeitet deshalb nahe mit allen anderen Schwerpunkten zusammen. Die Einrichtung eines eigenen Schwerpunkts im Master ab Wintersemester 2019 bietet interessierten Studierenden die Möglichkeit, ein breites Spektrum an weiterführenden theoretischen Veranstaltungen zu belegen und so ihre Ausbildung zu vertiefen. Neben der Pflichtkurse Advanced Statistical Physics und Advanced Quantum Mechanics wird als Alternative zum Fortgeschrittenenpraktikum ein einjähriger Kurs bestehend aus Methods of Computational Physics und Advanced Computational Physics empfohlen. Die Masterarbeit kann daraufhin in allen Gruppen des Instituts für Theoretische Physik geschrieben werden, aber auch in anderen theoretisch orientierten Gruppen der Fakultät für Physik oder des breiteren Campus Göttingen (z.B. MPI für Dynamik und Selbstorganisation, MPI für Biophysikalische Chemie).