Hochhaus-Info - Fachschaft Physik

Liebe Studis!Hochhaus-InfoEs gab nun schon seit längerer Zeit kein Hochhaus-Infomehr. Vielleicht wissen einige von Euch schon gar nichtmehr was das ist! Das Hochhaus-Info gibt den Arbeitsgruppender Fakultät die Möglichtkeit, sich Euch kurz vorzustellen.Es soll Euch dadurch einen Überblick über dieFakultät geben und damit die Suche nach der passendenDiplomarbeit erleichtern.Obwohl wir uns um Vollständigkeit bemüht haben, sindleider nicht alle Arbeitsgruppen vertreten. Wir bitten dieszu entschuldigen und weisen darauf hin, dass dies auf keinenFall als Wertung unsererseits zu verstehen ist.Eure FachschaftInhaltsverzeichnisPhysikalisches Institut (PI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Institut für Angewandte Physik (AP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Institut für Experimentelle Kernphysik (EKP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Institut für Theorie der Kondensierten Materie (TKM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Institut für Theoretishe Teilchenphysik (TTP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Geophysikalisches Institut (GPI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Laboratorium für Applikationen der Synchrotronstrahlung (LAS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192ImpressumFachschaft PhysikInteressenvertretungStudienberatungHochschule und GesellschaftStand: Sommer 2009Anschrift: Raum FE–16, Gebäude 30.22,Engesserstr. 7, 76128 KarlsruheTelefon: (0721) 608 - 2078Telefax: (0721) 608 - 8047e-Mail: fachschaft@physik.uni-karlsruhe.deWWW: http://fachschaft.physik.uni-karlsruhe.de

Physikalisches InstitutDie Wissenschaftler des Physikalischen Institutsverfolgen ein breites Spektrum aktueller Themender Festkörperphysik. Die experimentellen Forschungenreichen von der Untersuchung grundlegenderFestkörpereigenschaften bis zu anwendungsnahen Themenund umfassen Gebiete von der Supraleitung unddem Magnetismus bis hin zu neuen Effekten in Nanostrukturen,wie im Folgenden für die einzelnen Arbeitsgruppendetailierter beschrieben wird. Hand in Hand mitden vielfältigen und komplexen Themen geht eine abwechslungsreicheForschungstätigkeit. Diplomarbeiten amPhysikalischen Institut umfassen typischerweise alle Phaseneines Forschungsprojekts, von der Konzeption undDurchführung von Experimenten bei niedrigen Temperaturenin verschiedenen Typen von Kryostaten, über dieautomatische Datenerfassung mit Einsatz von Matlab,Labview etc. zur Programmierung moderner Messgeräte,Datenauswertung und -visualisierung, bis hin zur einfachentheoretischen Modellierung und der Präsentationvon wissenschaftlichen Ergebnissen in Form von Vorträgenund Publikationen.Mehr Informationen gibt es auf der Homepage unsererGruppen sowie direkt bei uns in den Büros des 1. - 4.Stocks des Physikhochhauses.Arbeitsgruppe von LöhneysenUnsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit zwei Themen:Physikalische Eigenschaften von metallischen Nanostrukturensowie elektronische und magnetische Eigenschaftenungewöhnlicher Metalle.In metallischen Nanostrukturen (Abmessungen

Hochhaus-Infogen? Was koppelt die Leitungselektronen in diesen ungewöhnlichenSupraleitern zu Cooper-Paaren? Diese Fragenuntersuchen wir an sogenannten Schwerfermionensupraleiter,an oxidische Verbindungen wie Sr 2 RuO 4 , welchemit den Kuprat-Hochtemperatursupraleitern strukturellverwandt sind, und an den kürzlich entdeckten Eisen-Arsen-Hochtemperatursupraleiter.Des weiteren nutzen wir Supraleiter-Ferromagnet-Hybridstrukturen, um die Spinpolarisation des Transportstromesdurch Ferromagneten zu bestimmen. Die Fragenach der Größe der Spinpolarisation und dem Einfuss vonStreuung darauf ist von grundlegender Bedeutung für Anwendungenauf dem Gebiet der Spinelektronik. Ziel derSpinelektronik ist es, zusätzlich zur Ladung, die in traditionellenBauteilen die Funktionalität ermöglicht, denSpin der Ladungsträger als zusätzlichen Freiheitsgrad zunutzen. Die Hybridstrukturen werden durch Nanostrukturierungeiner Siliziumnitritmembran hergestellt.Das Wechselspiel der Seltenerd-4f-Momente mit den Leitungselektronenmetallischer Seltenerdlegierungen ist eineder spannenden Fragen, die in der Arbeitsgruppe vonLöhneysen untersucht werden. Aus diesem Wechselspielergeben sich eine Reihe faszinierender Eigenschaften wieder Kondo Effekt und das Schwerfermionenverhalten, zweiEffekte bei denen die 4f-Momente mit etwa 10 23 Elektronenwechselwirken können. In meiner Arbeitsgruppe konzentrierenwir uns auf die Frage, was passiert, wenn dieLadungsträgerkonzentration um Größenordnungen niedrigerist. Eine Serie von Seltenerdlegierungen, bei denendies studiert werden kann, sind die Seltenerd-BiPt-Verbindungen. In Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen ander Universität Hiroshima und verschiedenen Forschungseinrichtungenin Dresden werden die magnetischen undelektronischen Eigenschaften untersucht.Die experimentellen Methoden, die in meiner Arbeitsgruppezur Verfügung stehen, sind neben Untersuchungenvon Transportgrößen (Widerstand, Hall-Effekt,etc.) die Punktkontaktspektroskopie, bei der der nichtlineareWiderstand eines nanoskopischen Kontaktes inAbhängigkeit von der angelegten Spannung zwischenzwei Elektroden gemessen wird, sowie Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie. Die Untersuchungenwerden über einen weiten Temperaturbereichbis zu weniger als einigen 10 mK und in hohen Magnetfeldernbis zu 13T durchgeführt.Arbeitsgruppe PilawaIn dieser Arbeitsgruppe steht die Materialforschung imVordergrund. Es werden vorwiegend statische und resonantemagnetische Messmethoden eingesetzt, da dieKombination von lokalen und integralen Messergebnissen(einerseits aus Elektronenspinresonanz, Kernspinresonanzund andererseits aus statischer magnetischer Suszeptibilität)besonders detaillierte Kenntnisse der elektronischenStruktur der untersuchten Systeme sichert.Gegenwärtig werden molekulare Systeme mit stabilen,aber wechselwirkenden magnetischen Momenten, und quasizweidimensionale Spinsysteme untersucht, die bei geeigneterDotierung Leitfähigkeit und Supraleitung bei tiefenTemperaturen zeigen. Eine quantitative Analyse der experimentellenErgebnisse und ihre Beschreibung im Rahmentheoretischer Modelle wird angestrebt.Arbeitsgruppe UstinovDie Arbeitsgruppe Herrn Prof. Dr. Alexey Ustinovsbeschäftigt sich mit der Forschung an supraleitendenSchaltkreisen, welche im Quantenlimit betrieben werden.Hergestellt werden diese ganz ähnlich wie konventionelleMikrochips, indem man Leiterbahnen aus supraleitendemMaterialien wie z.B. Niob oder Aluminium mit typischenBreiten von etwa 1 µm auf einem Siliziumwafer strukturiert.Als aktive Elemente dieser Schaltkreise dienen sog.Josephson-Tunnelkontakte. In diesen können die supraleitendenElektronenpaare ( ”Cooper-Paare“) durch einedünne Isolationsschicht tunneln, was zu einer Vielzahl aninteressanten Effekten führt.Um dieses quantenmechanische Tunneln beobachten zukönnen genügt es im Prinzip, die Probe auf Temperaturenvon bis zu 20 mK abzukühlen und zum Beispielden Ladungstransport (die Strom-Spannungs-Kennlinie)durch einen Josephson-Kontakt zu messen. Interessantenichtlineare Effekte können wir in Parallelschaltungenmehrerer Kontakte (sog. ”Arrays“) bereits bei höherenTemperaturen von 4.2 K beobachten.In langen Josephson-Kontakten ist es darüber hinausmöglich, die Dynamik von einzelnen Quanten des magnetischenFlusses zu untersuchen. Diese entsprechenkreisförmigen Tunnelströmen, die sich im Kontakt fortbewegenkönnen. Da sich diese sog. Solitonen wie relativistischeTeilchen verhalten und z.B. mit einem kleinenStrom beschleunigt werden können, erlauben sie es uns,relativistische Effekte auf einem Maßstab von weniger als1 mm zu beobachten!Ein sehr aktuelles und spannendes Gebiet stellt die Erforschungvon makroskopischer Quantenkohärenz dar. Voreinigen Jahren war es erstmals gelungen, eine kohärenteSuperposition von elektrischen Quantenzuständen inJosephson-Schaltkreisen zu erzeugen. In Analogie zuSchrödingers Katze, die die aus klassischer Sicht seltsameFähigkeit hat, in zwei gegensätzlichen Zuständen gleichzeitigsein zu können, ist es mit supraleitenden Schaltkreisenmöglich, einen Strom gleichzeitig in gegensätzlicheRichtungen fließen zu lassen. Hierbei verhält sich einemakroskopisch große Zahl von 10 20 Elektronen wie eineinzelnes (künstliches) Quantenobjekt! Mittlerweile hatman gelernt, solch einen Quantenzustand genau zu kontrollierenund zu vermessen sowie die Zustände zweiersolcher künstlichen Atome“ miteinander zu verschränken.”4

Mit diesen Experimenten ist man der Möglichkeit, einesTages einen Quantencomputer bauen zu können, eingutes Stück näher gekommen. In unserer Arbeitsgruppeentwickeln wir daher auch supraleitende Quantenbits, dieTräger der elementaren Informationseinheiten in einemQuantencomputer. Im vergleich zu anderen möglichenRealisierungen eines Quantencomputers wie z.B. mittelsPhotonen oder einzelnen Atomen in Fallen versprechen supraleitendeSchaltkreise eine sehr viel einfachere Kopplungzwischen den einzelnen Quantenbits, eine einfachere Kontrolledurch direkt angelegte elektrische Signale, sowie dieMöglichkeit, auf einem 5 mm 2 großen Chip mehr als 100Quantenbits unterzubringen.KCl. Um die Eigenschaften der Tunnelsysteme zu untersuchen,werden bei uns vor allem Ultraschallmessungen (beiFrequenzen bis in den GHz-Bereich und bis zu sehr tiefenTemperaturen um 10 mK), Kapazitäts- und Widerstandsmessungenan Kristallen mit Defekten und an isolierendenund metallischen Gläsern durchgeführt. Besonders reizvollist, dass Sprünge einzelner Atome den elektrischen Transportin metallischen Proben mit sehr kleinen Abmessungen(sogenannte Nano-Drähte und Punktkontakte) beeinflussenkönnen. Ganz aktuell stehen die Tunnelsysteme imwissenschaftlichen Fokus, weil sie im Verdacht stehen, einewichtige aber schädliche Rolle bei der Dephasierung vonQuantenbits zu spielen. Diplomarbeiten bieten Einblickein materialwissenschaftliche Fragestellungen, in die Tieftemperaturphysikund Tieftemperaturtechnik, in die Instrumentierungfür hochempfindliche Messungen kleinsterStrom- und Spannungssignale, in die rechnergestützte Datenerfassungund ?verarbeitung, in die Hochfrequenztechnikund natürlich eine Vertiefung der allgemeinen Kenntnissein FestkörperphysikArbeitsgruppe WulfhekelBild: Supraleitendes QuantenbitIn unserer Arbeitsgruppe besteht die Möglichkeit zu experimentellenDiplomarbeiten in diesen Themengebieten.Neben dem Design der supraleitenden Schaltkreise lerntman hierbei den Umgang mit Hochfrequenzbauteilen imMikrowellenbereich bis etwa 20 GHz Messungen mittelsselbst entwickelter Analogelektronik.Arbeitsgruppe WeißZentrale Thematik der Arbeitsgruppe ist die Dynamikstruktureller Defekte, die in vielfältiger Weise die Eigenschaftenvon Festkörpern beeinflussen und häufig dominieren.Die aktuellen Arbeiten erstrecken sich von Untersuchungender Bewegung einzelner Atome zwischenzwei Gleichgewichtslagen bis hin zu Umlagerungen abschreckendkondensierter Filme, bei denen Diffusionsprozesseauf einer Längenskala von µm stattfinden. Von besonderemInteresse ist dabei immer der Einfluss quantenmechanischerTunnelprozesse.Tunneln einzelner Atome oder Atomgruppen spielt bei tiefenTemperaturen eine große Rolle für Eigenschaften fehlgeordneter,insbesondere amorpher Festkörper. Die mikroskopischeStruktur dieser Tunnelsysteme ist allerdings oftunbekannt. Systeme mit Modellcharakter sind Tunnelsystemein kristallinen Alkalihalogeniden, z.B. Li-Ionen inUnsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit dem Magnetismusvon dünnen Schichten, Nanostrukturen bis hin zueinzelnen Molekülen und Atomen. Durch Reduktion derAusdehnung der Proben auf zwei, eins oder null Dimensionentreten neue magnetische Eigenschaften auf, die nichtnur von Relevanz für die Grundlagenforschung sind, sondernauch Anwendung in der magnetischen Datenspeicherungsowie der Spinelektronik (Elektronik basierend aufdem Spin des Elektrons) finden. In den Studien werdendie magnetischen Grundzustände und magnetische Anregungender niedrig-dimensionalen Objekte auf atomarerSkala untersucht sowie die spinabhängige Leitfähigkeitbestimmt. Neben etablierten Techniken wie Magnetowiderstandsmessungen,magneto-optischem Kerr Effekt, Molekularstrahlepitaxieoder Elektronenbeugung wird vorwiegendmit der spinaufgelösten Rastertunnelmikroskopie(RTM) bei tiefen Temperaturen gearbeitet. Typische Diplomarbeitenbeschäftigen sich mit mehreren der folgendenFragestellungen:• Herstellung von magnetischen Strukturen mittelsSelbstorganisation• atomare Manipulation mittels Rastertunnelmikroskopie(siehe Bild)• atomare Abbildung von Spinstrukturen• Spektroskopie von elektronischen Zustandsdichten• vibronischen und magnetischen Anregungen von Nanostrukturen• elektrischer Transport über einzelne Atome und Moleküle• magnetische Phasenübergänge• Entwicklung und Aufbau wissenschaftlicher Geräte5

Hochhaus-InfoBild: 17 Fe Atome auf einer Cu(111) Oberfläche angeordnetmittels RTMInstitut für Angewandte PhysikArbeitsgruppe Prof. Dr. Heinz KaltEines der zentralen Gebiete der aktuellen Forschungbeschäftigt sich mit der Entwicklung von Nanostrukturenund ihrer Nutzbarmachung in der modernen Elektronikund Optoelektronik. Unsere Arbeitsgruppe untersuchtin diesem Zusammenhang eine Reihe verschiedenerHalbleiter-Nanostrukturen wie selbstorganisierte Quantenpunkte,Nanosäulen und nanokristalline Pulver sowiesupramolekulare Antennensyteme. Wir interessierenuns für grundlegende dynamische Prozesse von Ladungsträgernund optischen Anregungen (z.B. Exzitonen) aufkurzen Zeitskalen bis zu 100 Femtosekunden, auf kleinenräumlichen Skalen im Bereich der Lichtwellenlängeund/oder unter hohen Anregungsbedingungen. Auf derBasis dieser Untersuchungen entwickeln und optimierenwir Nanostrukturen für Anwendungen in der Spinoptoelektronikund Quanten-Informationsverarbeitung, als Nanolaser,Bio-Sensoren oder als alternative Solarzellen.Oft werden hierbei die Nanostrukturen kombiniert mitphotonischen Strukturen wie nanoskaligen Resonatorenoder Wellenleitern.Uns stehen modernste Spektroskopiemethoden zurVerfügung: z.B. konfokale optische Mikroskopie(Nano-Photolumineszenz), Femto-/Pikosekundenlaserund Streakkamera-Detektion (zeitaufgelöste Nano-Photolumineszenz, Ultrakurzzeitspektroskopie), zeitaufgelösteElektrolumineszenz, Spektroskopie im hohen Magnetfeld(räumlich und zeitlich aufgelöste Magnetooptik),optische Hochanregung sowie lineare optische Spektroskopie.Weiterhin arbeiten wir mit einer Vielzahl vonMethoden der modernen Halbleitertechnologie (Rasterelektronenmikroskopie,Lithographie ...) zur Vorbereitungder Experimente und nutzen leistungsfähige Simulationsmethoden(z.B. Finite Elemente Methoden) zur physikalischenInterpretation der Ergebnisse.6

Unsere experimentelle Forschung am Institut für AngewandtePhysik ist eingebunden u.a. in das DFG-Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) und indie Karlsruhe School of Optics and Photonics (KSOP).Es besteht eine intensive Zusammenarbeit mit Gruppenaus der der Halbleiterepitaxie, Elektronenmikroskopie,Festkörpertheorie, Chemie und Elektrotechnik.Aktuellen Themengebiete, zu denen Diplomarbeiten vergebenwerden, sind:• Spininjektion in Halbleiter-Quantenpunkte/Kopplungvon Spins in Quantenpunkten mit Hilfe von PhotonischenStrukturen• Laseremission von ZnO-Nanosäulen bzw. nanokristallinenPulvern• Mikroresonatoren für die Detektion von Bio-Molekülen• Hybrid-SolarzellenWeitere Informationen erhalten Sie auf unserer Homepagehttp://www.aph.uni-karlsruhe.de/kalt/oder direkt von den Mitarbeitern der AG (Physikhochhaus5.Stock) und von Prof. Kalt (Physikhochhaus 6/17).Arbeitsgruppe Prof. Dr. Thomas SchimmelNanotechnologie auf der Basis von Rastersondenverfahrensowie physikalische und chemische Prozesse auf der Nanometerskalaspielen in Forschung und Technologie eineimmer grössere Rolle. Funktionelle Strukturen auf der Nanometerskalasind nicht nur für künftige Prozessoren undSpeichertechnologien von zentraler Bedeutung; sie findenzunehmend Anwendung in Hochleistungswerkstoffen, inder Medizintechnik und in der Biotechnologie. Ziel unsererArbeitsgruppe sind die Untersuchung und das Verständnisvon Strukturen und Prozessen auf der Nanometerskala,insbesondere mit folgenden Schwerpunkten:Elektronik am Limit: Atomare TransistorenIn unserer Arbeitsgruppe ist es erstmals gelungen, elektronischeSchaltelemente auf der Basis einzelner Atomezu realisieren. Durch das gezielte Umlagern eineseinzigen Silber-Atoms in einem winzigen metallischenKontakt lässt sich ein elektrischer Stromkreis kontrolliertöffnen und schließen. Solche atomaren Relais bzw.Einzelatom-Transistoren werden durch ein elektrischesKontroll-Potential gesteuert, das an eine unabhängigedritte Elektrode, die Gate-Elektrode, angelegt wird. DieBauelemente funktionieren reproduzierbar bei Raumtemperaturund eröffnen faszinierende Perspektiven für dieQuantenelektronik und für atomare Logik-Schaltungen.Nanoanalytik und Nanolithographie mitRastersondenverfahrenUm erfolgreiche Forschung und Entwicklung im Bereichder Nanotechnologie zu betreiben, müssen geeignete Messmethodenentwickelt werden, die eine möglichst umfassendeCharakterisierung der Eigenschaften von Nanostrukturenerlauben. Dabei gilt es, nicht nur die dreidimensionaleOber-flächenstruktur mit hoher Auflösung abzubilden,sondern auch lokale Materialeigenschaften zu untersuchensowie Material-inhomogenitäten und chemische Kontrasteortsaufgelöst zu erkennen. Konventionelle Untersuchungsverfahrenstoßen dabei zunehmend an ihre Grenzen. Wirzeigen, wie mit neuartigen Verfahren chemische Reaktionenin situ und in Echtzeit induziert und verfolgt und geringstechemische Veränderungen an Werkstoffoberflächenortsaufgelöst nachgewiesen werden können.Funktionelle Oberflächen und biofunktionelleNanostrukturenVom Lotuseffekt bei Pflanzen bis zum Verhalten von Zellenauf Oberflächen und dem Anwachsen von Implantatenspielen mikro- und nanostrukturierte Oberflächen undGrenzflächen bei biologischen Systemen eine zentrale Rolle.In unserer Arbeitsgruppe werden in enger Zusammenarbeitmit Biologen, Medizinern und Chemikern neuartigenanostrukturierte biofunktionelle Oberflächen entwickelt7

Hochhaus-Infound insbesondere das Verhalten von biologischen Zellenauf diesen Oberflächen untersucht.Strukturbildung und Selbstorganisation auf derNanometer-SkalaIn der Mikroelektronik besteht zunehmender Bedarf anHerstellungsverfahren für nanoskalige Leiterbahnen. Dabeispielen insbesondere bei der Chipfertigung elektrochemischeProzesse eine zentrale Rolle. Durch das vonuns entwickelte Verfahren können durch Selbstorganisationelektrochemisch ausgedehnte Arrays von Nanodrähtenhergestellt werden.In unserer Arbeitsgruppe an der Universität und auchim Forschungszentrum Karlsruhe haben wir immerdie Möglichkeit, Diplomarbeiten und Staatsexamensarbeitenaus einen breiten Themenbereich zu vergeben,so dass die verschiedensten Interessengebiete abgedecktwerden können. Ihr könnt jederzeit Prof. Schimmel(thomas.schimmel@physik.uni-karlsruhe.de) oder Dr.Obermair (christian.obermair@physik.uni-karlsruhe.de)deswegen telefonisch oder per E-Mail kontaktieren; oderihr kommt einfach im 8. Stock im Physikhochhaus vorbeiund wendet Euch an einen unserer Mitarbeiter. WeitereiInfos findet ihr unter http://www.schimmel-group.de.Institut für Experimentelle KernphysikVon den kleinsten Teilchen zu den höchstenEnergienDie Karlsruher Elementarteilchen- und Astroteilchenphysikerdes Instituts für Exerimentelle Kernphysik untersuchensowohl die fundamentalen Bausteine und Kräfteder Materie als auch die hochenergetische Strahlung, dieaus den Tiefen des Weltraums auf die Erde kommt. AlsWerkzeuge dienen Teilchenbeschleuniger und riesige elektronischeDetektoren. In irdischen Beschleunigern, die aninternationalen Großlabors wie CERN bei Genf, Fermilabbei Chicago und KEK in Tsukuba installiert sind,werden Elementarteilchen durch Magnete in Kreisbahnengezwungen und auf sehr hohe Energie beschleunigt. DieseEnergien reichen aus, um kleinste Strukturen der Materieaufzubrechen und neue schwere Teilchen zu erzeugen.Die größte Anlage ist der derzeit errichtete Large HadronCollider. Höhenstrahlung wiederum wird durch Supernovaexplosionenoder noch exotischere Prozesse erzeugt undauf extrem hohe Energien beschleunigt. Die Quellen undBeschleunigungsmechanismen sind ein Rätsel, das nochauf seine Entschlüsselung wartet.Karlsruher Physikerinnen und Physiker beteiligen sichin internationalen Kooperationen an Konzeption, Aufbauund Betrieb von Teilchendetektoren sowie an derAufarbeitung der Messergebnisse. Hervorzuheben sinddas CDF-Experiment am Fermilab, bei dem das bisjetzt schwerste bekannte Elementarteilchen, das Top-Quark, entdeckt worden ist, und das CMS-Experimentam CERN, für das die Physiker einen Halbleiterdetektorzum Nachweis des Higgsbosons und anderer Teilchenfertiggestellt hatten. Neu hinzugekommen ist eine KarlsruherAktivität am BELLE-Beschleuniger in Tsukuba,an dem Beauty-Physik bei hoher Präzision durchgeführtwird. Zum Bereich der Astroteilchenphysik zählt dasam Forschungszentrum Karlsruhe im Aufbau befindlicheKATRIN-Experiment, das die Masse des Elektronneutrinosmit bisher unerreichter Präzision bestimmen soll.Zur Untersuchung der Quellen und Zusammensetzungkosmischer Strahlung beteiligen sich Karlsruher Physikerfederführend am Betrieb des KASCADE-Grande-Experiments am Forschungszentrum Karlsruhe sowiean der Fertigstellung des internationalen Pierre-Auger-Observatoriums in Argentinien. Zur Untersuchung derdunklen Materie, die fast ein Viertel der Masse des Universumsausmacht, aber aus bisher unbekannten schwachwechselwirkenden Teilchen besteht, wird am Edelweiss-Experiment im unterirdischen Frejus-Tunnel bei Modaneund am geplanten AMS-Experiment auf der InternationalenRaumstation ISS gearbeitet.Mini-Urknall im Labor: Kollisionsereignis an dem im Baubefindlichen Large Hadron Collidor. Bei hochenergetischenKollisionen von Protonen entstehen neue Elementarteilchen,die mit elektronischen Großdetektoren nachgewiesenwerden. Das Bild zeigt eine Computersimulationeines solchen Ereignisses mit dem CMS-Detektor.8

Arbeitsgebiet Physik an Hadron-Kollidern mithöchsten SchwerpunktsenergienDie im Folgenden beschriebenen Aktivitäten stellen einender Schwerpunkte der Karlsruher Elementarteilchenphysikund Astroteilchenphysik dar, die im KIT-ZentrumElementarteilchen- und Astroteilchenphysik KCETA angesiedeltsind und zum Bereich der experimentellen Hochenergiephysikzählen. Hadron-Kollider sind Teilchenbeschleuniger,bei denen Protonen gegen Antiprotonen (Tevatronam Fermilab bei Chicago, USA) oder Protonengegen Protonen (Large Hadron Collider LHC am CERNbei Genf) geschossen werden. Die großen Schwerpunktsenergienerlauben es, neue, sehr schwere Elementarteilchenoder extrem seltene Prozesse zu entdecken. Insbesonderedas Higgs-Boson, welches im Rahmen des Standardmodellsfür die Massenerzeugung verantwortlich ist,gehört zu den seit langem gesuchten Elementarteilchen.Aber auch die Frage nach dem Ursprung der DunklenMaterie im Universum und nach der mysteriösen Materie-Antimaterie-Asymmetrie in der Natur gehören zu den Fragen,die an solchen Beschleunigern geklärt werden sollen.Solche Signale neuer Physik treten allerdings extrem seltenauf, weswegen sehr hohe Kollisionsraten (am LHC biszu 109/s) notwendig sind. Insbesondere diese Teilchenratenverlangen äußerst hohe Standards bei den Detektoren,von dem Detektormedium über die Ausleseelektronik zurDatenverarbeitung.Wir sind an allen Aspekten des Hadron-Kollider- Programmsbeteiligt: Entwicklung neuer Detektorkonzepte,Konstruktion und Inbetriebnahme von Detektorsystemenund physikalische Datenanalyse. Bei den Detektorenkonzentrieren wir uns auf Siliziumstreifendetektoren,beidenen wir in Karlsruhe auf langjährige Erfahrungzurückgreifen können, und der Entwicklung neuer Konzeptefür zukünftige Beschleuniger wie ILC und Super-LHC.Unsere physikalischen Schwerpunkte gliedern sich in vierTeile:• Suche nach dem Higgs-Boson und neuen schweren Teilcheninsbesondere im Rahmen der Supersymmetrie• Bestimmung der Eigenschaften des Topquarks (das vonKarlsruher Physikern mitentdeckt worden ist)• Präzisionsstudien zur elektro-schwachen und starkenWechselwirkung• Studien zur Erzeugung und zu den Zerfällen vonBeauty-Hadronen, Suche nach Signalen von CP-Verletzungen außerhalb vom StandardmodellDas Tevatron ist mit einer erreichbaren Schwerpunktsenergievon 2000 GeV bis zum Beginn des LHC im Jahre 2009der stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. Dort wurde1995 das Topquark entdeckt. Das IEKP ist als einzigesdeutsches Institut an dem Großdetektor CDF beteiligt.Hauptschwerpunkt ist das Studium der Beauty-Physik,wo die Karlsruher Arbeitsgruppe vor allem im Bereich derSpektroskopie Pionierleistungen erbracht hat. Die Arbeitsgruppe,die im Bereich der Top-Quarkphysik und Higgs-Bosonsuche viele Beiträge geliefert hat, wird im laufendenJahr 2009 zur Datenanalyse am LHC überwechseln.Der LHC wird mit einer Schwerpunktsenergie von anfangs10000 GeV, ab dem Jahre 2010 mit 14000 GeV das Tevatronablösen. Das IEKP ist an der Konstruktion undder Inbetriebnahme des weltweit größten Siliziumstreifendetektorsim CMS-Experiment maßgeblich beteiligt. DerSpurendetektor setzt sich aus ca. 220 m2 Siliziumstreifendetektorenzusammen. Dies ist ein Faktor 30 größer alsalle bisher gebauten Mikrostreifendetektoren. Allerdingswerden bereits jetzt nach Fertigstellung des Detektors mitForschungs- und Entwicklungsarbeiten an Siliziumstreifendetektorenbegonnen, die am einer Hochratenerweiterungdes LHC zum Super-LHC eingesetzt werden können.Um uns schon frühzeitig mit der sehr komplexen Datenstrukturam LHC vertraut zu machen, führten wir in denvergangenen Jahren Computersimulationen zum Nachweisvon Higgs-Bosonen und SUSY-Teilchen sowie von Top-Quarks durch. Diese Aktivitäten werden mit Beginn derDatennahme durch Analysen mit realen Daten ersetzt.Allerdings werden wir, vor allem im Rahmen von Diplomarbeiten,weiterhin Simulationsstudien über Prozesseneuer Physik wie z.B. Signale eines Quarks der viertenGeneration oder eines schweren Z-Bosons durchführen,ehe wir die gewonnene Erfahrung dann bei der Suche inden Daten anwenden.Begleitet werden die Softwareaktivitäten vom Mitaufbauund Betrieb des Grid Computings am GridKa am ForschungszentrumKarlsruhe und am Tier3-Cluster an derUniversität.Zu allen Themengebieten werden Diplomarbeiten angeboten.Arbeitsgebiet: ”Dunkle Materie, was ist das?“Prof. Dr. Wim de BoerEs ist bekannt, dass die sichtbare Materie in Form vonSternen und Galaxien nur einen kleinen Teil der gesamtenEnergie des Universums ausmacht: nach neuesten Kenntnissenbesteht nur 5und 95wir nichts wissen. Man weissjedoch, dass dieser nichtsichtbare, ”dunkle“ Anteil aufgrundder Gravitationseffekte existiert und die Daten legendie Vermutung nahe, dass ein Teil aus massiven,schwach wechselwirkenden Teilchen besteht, die man generisch”Weakly Interacting Massive Particles“ oder kurzWIMPs genannt hat. Da solche Teilchen im StandardModell der Teilchenphysik nicht vorhanden sind, muss essich um eine neue Form der Materie handeln. Unter derAnnahme dass diese WIMPs im heißen frühen Universumentstanden sind, lässt sich die geringe Anzahldichteim heutigen Universum nur erklären, wenn die WIMPsdurch Annihilation mit sich selbst oder mit anderen Teilchenverschwunden sind. Bei der Annihilation der WIMPsin Quark-Antiquark-Paare entstehen als stabile TeilchenElektronen, Positronen, Protonen, Antiprotonen, Gammastrahlenund Neutrinos. Die Elektronen und Protonengehen verloren in dem See dieser Teilchen in einerGalaxie, aber die Antimaterieteilchen und Gammastrahlensind womöglich oberhalb des Untergrundes nachweisbar.Tatssächlich konnte unsere Gruppe in Karlsruhe zeigen,dass die diffusen galaktischen Gammastrahlen unter9

Hochhaus-InfoBerücksichtigung der WIMP Annihilation besser beschriebenwird. Dies erlaubt Vorhersagen für weitere Experimente:• Erwartete Überschüsse für die Antiprotonen und Positronenim Universum, die wir mit dem AMS-02Teilchendetektor im Weltraum auf der InternationalenRaumstation ISS nachweisen wollen;• Vorhersagen für die Produktion der WIMPs am LargeHadron Collider (LHC) beim Europäischen Teilchenphysiklaborin Genf, der 2009 in Betrieb gehen wird.Falls die WIMPs tatsächlich die erwarteten supersymmetrischenPartner der kosmischen Hintergrundstrahlungsind, sollten sie am LHC im Zerfall der vorhergesagtensupersymmetrischen Teilchen auftreten. Für dieSuche nach Supersymmetrie am LHC sind wir am CMSDetektor beteiligt;• Weitere Vorhersagen aus unseren Analysen betreffenden direkten Nachweis der WIMPs in Teilchendetektoren,die sich zur Abschirmung der kosmischen Strahlungtief unter der Erde befinden;• Auch können Vorhersagen für den Nachweis von Neutrinosaus der WIMP Annihilation in der Sonne gemachtwerden. Hierbei wird das Wasser im Mittelmeer oder dieEiskappe am Südpol als Targetmaterial benutzt.Diese Vorhersagen werden in enger Kooperation mit theoretischenTeilchenphysikern gemacht. Für beide Detektoren,AMS und CMS, sind wir maßgeblich am Detektorbauund Monte-Carlo Simulationen der Detektoren beteiligt.Bei den Simulationen geht es darum, wie man amgeschicktesten das Signal vom Untergrund trennen kann.Hier werden moderne Datenanalysemethoden, wie selbtstlernendeComputerprogramme (neuronale Netze) eingesetzt.Mit Beteiligungen an dem Raumfahrtprojekt AMS-02 und dem Beschleunigerprojekt CMS haben wir eine guteAusgangsposition um in den nächsten Jahren an derBeantwortung der wichtigen Frage nach der Natur derDM beteiligt zu sein. Die Ausbildung junger Physikerinnenund Physiker (Diplom- und Doktorarbeiten) in diesemanspruchsvollen internationalen Umfeld eröffnet attraktivePerspektiven für die berufliche Zukunft sowohl in derForschung als auch in der Halbleiterindustrie oder auf demGebiet der Datamining.Institut für Theorie der Kondensierten MaterieProfessoren: Prof. Dr. P. Wölfle (Institutsleiter), Prof.Dr. A. Shnirman, Prof. Dr. A. D. Mirlin, PD Dr. F. Evers.Promovierte wiss. Mitarbeiter: Dr. D. Aristov, Dr. M.Greiter, Dr. D. Gutman, Dr. S. Rachel, Dr. R. Thomalehttp://www.tkm.physik.uni-karlsruhe.deÜberblickGegenstand der Forschung am Institut ist die theoretischeBeschreibung der physikalischen Eigenschaftender kondensierten Materie, also von Festkörpern undFlüssigkeiten. Im atomistischen Bild geht man dabei vonder Quantentheorie des Systems von Atomkernen undElektronen sowie des damit wechselwirkenden elektromagnetischenFeldes aus.Ziel der Untersuchungen ist die Berechnung der thermodynamischenEigenschaften (z.B. spezifische Wärme, Suszeptibilitäten,geordnete Phasen und Phasenübergänge),Transporteigenschaften (z.B. elektrische und thermischeLeitfähigkeit, Spindiffusion und -relaxation) und mikroskopischenEigenschaften (z.B. optische Eigenschaften, dynamischerStrukturfaktor). Schwerpunkte der Forschungsinteressensind qualitativ neuartige Erscheinungen, wiesie z.B. durch kollektives Verhalten des Systems derLeitungselektronen in Metallen (Hochtemperatursupraleitung,Schwerfermionverbindungen, Quantenhalleffekt),durch den Einfluss von Unordnung (Quanteninterferenzeffektebei Transporteigenschaften, Lokalisierung von Elektronenund Photonen) oder durch eingeschränkte Dimensionenin mesoskopischen Systemen entstehen (universelleQuantentransporteigenschaften, Transport durch Quantenpunkte).Das quantenmechanische Vielteilchenproblem der Atomkerneund Elektronen in kondensierter Materie und derenWechselwirkung mit äußeren Feldern lässt sich nur mitHilfe von Näherungsverfahren behandeln. Zunächst werdencharakteristische Verhaltensweisen des Systems identifiziert,für die vereinfachte Modelle angesetzt werden (Modelleunabhängiger Elektronen bzw. Photonen, harmonischerGitterschwingungen, BCS-Modell der Supraleitung,Hubbardmodell stark korrelierter Elektronen, Andersonmodelllokaler magnetischer Momente, Modelle mit statistischverteilten Parametern (Unordnung) usw.). Selbstdiese Modelle sind nur in Ausnahmefällen exakt lösbar.Näherungsmethoden gehen meist von der quantenfeldtheoretischenBeschreibung aus und benützen die Entwicklungnach einem kleinen Parameter (Störungstheorie), diesukzessive Abbildung auf Modelle mit niederenergetischenAnregungen (Renormierungsgruppe), die Ersetzung fermionischerFreiheitsgrade durch bosonische (Hilfsteilchendarstellungoder Bosonisierung) oder die Entwicklung umden klassischen Grenzfall (semiklassische Näherung). Imallgemeinen wird eine statistische Beschreibung verwendet,da die betrachteten Systeme Energie und Teilchenmit der Umgebung austauschen.Stark korrelierte ElektronensystemeDr. M. Greiter, Dr. S. Rachel, Dr. R.Thomale, Prof. Dr. P. WölfleIn vielen metallischen Materialien wurde in den letztenJahren ein anomales Verhalten beobachtet, das sichnicht mit dem ”Standardmodell“ wechselwirkender Elektronen,der sogenannten Fermiflüssigkeitstheorie, erklärenlässt. Beispiele hierfür sind Supraleitung bei sehr ho-10

hen Temperaturen, ungewöhnliche Transporteigenschaften,riesige spezifische Wärme mit singulärer Temperaturabhängigkeitoder Systeme in der Nähe von Tieftemperaturphasenübergängen.In enger Zusammenarbeit mitexperimentellen Gruppen, z.B. mit der Gruppe von Prof.von Löhneysen am Physikalischen Institut, entwickeln wirTheorien, die dieses Verhalten erklären. Wir versuchen diewichtigsten physikalischen Prozesse im Rahmen von vereinfachtenmikroskopischen oder phänomenologischen Modellenzu verstehen und entwickeln neue quantenfeldtheoretischeWerkzeuge zu ihrer Berechnung. Solche neuen Methodensind notwendig, da die Wechselwirkungen so starksind, dass einfache Störungstheorien nicht anwendbar sind.Je nach der oft von aktuellen Experimenten vorgegebenenFragestellung sind die Rechnungen analytisch oder numerisch.Diplom- und Doktorarbeiten werden z.B. zu Themenwie dem Widerstand sehr dünner Drähte, zum Einflusswinziger magnetischer Domänen auf das Verhaltenvon Metallen, dem Verhalten in der Nähe eines Metall-Isolator-Übergangs und zu den Transporteigenschaftenvon Hochtemperatursupraleitern vergeben.Transportphänomene in meso- undnanoskopischen SystemenPD Dr. F. Evers, Prof. Dr. A. D. Mirlin,Prof. Dr. A. Shnirman, Prof. P. WölfleMit Hilfe der Mikrostrukturtechnik können heute Bauteileund metallische Kontakte in einer Größe von nur wenigennm und kürzlich sogar von atomarer Größe hergestelltwerden.Mesoskopische Systeme erlauben einerseits, grundlegendeWechselwirkungseffekte in kontrollierter, vorher nichtgekannte Weise theoretisch und experimentell zu studieren,und stellen andererseits technologische Anwendungenin Aussicht. Die Eigenschaften mesoskopischer Systemewerden im nm-Bereich wesentlich von Quanteneffektenbestimmt. Als neue Phänomene gegenüber ausgedehntenMetallen oder Halbleitern tritt die Diskretheit der elektronischenZustände, starke Coulombabstoßung zwischenElektronen sowie unter gewissen Bedingungen der Elektronenspinin Erscheinung. So wird z.B. die Coulombwechselwirkungwegen der Kleinheit der Systeme nur unvollständigabgeschirmt; sie kann u.a. zu einer Quantisierungdes Leitwerts führen. Ferner wird untersucht, welcheBedingungen die Quantenkohärenz der Elektronen inultrakleinen Systemen beeinflussen können. Diese Frageist sowohl von grundlegender theoretischer Bedeutung alsauch wesentlich für die gezielte Entwicklung nanoskopischerelektronischer Bauteile.Zu Nanostrukturen, deren Transporteigenschaften beiuns untersucht werden gehören verschiedene molekulareStrukturen, Nanodrähte, Kohlenstoff-Nanoröhren,Graphen (monoatomare Schicht des Graphits), undHalbleiter-Nanostrukturen. Die Arbeiten werden z.T.in enger Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern vonführenden ausländischen Universitäten und Institutendurchgeführt, insbesondere: Weizmann Institute (Israel),University of Florida, Gainesville und Argonne NationalLaboratory (USA), Birmingham University und ExeterUniversity (UK), Ioffe Institute, St. Petersburg und LandauInstitute, Moskau (Russland). Zur theoretischen Beschreibungenwerden feldtheoretische und numerische Methodenbenutzt, die z.T. für stark korrelierte Elektronensystemeentwickelt worden sind und im Rahmen einerDiplom- oder Doktorarbeit erlernt werden können.Elektronen in ungeordneten MedienPD Dr. F. Evers, Prof. Dr. A. D.Mirlin, Prof. Dr. P. WölfleDie Streuung von Elektronenwellen an zufälligenStörstellen in einem Metall kann zu einer diffusiven,d.h. “verlangsamten” Bewegung und schließlich zu einerLokalisierung der Elektronen (Metall-Isolator-Übergang)führen. Wir untersuchen die statistischen Eigenschaftenvon Energieeigenwerten und Wellenfunktionen und leitendaraus die Transportgrößen ab. Neue Effekte treten auf,wenn zusätzlich die Wechselwirkung der Elektronen untereinanderwichtig wird: Das Wechselspiel zwischen Unordnungim Kristall einerseits und der Coulombabstoßungandererseits kann z.B. zu kurzreichweitigen Ordnungsphänomenenim Elektronensee führen, wie wir kürzlichgezeigt haben.Diese Beziehungen zwischen Unordnung und Wechselwirkungkönnen in amorphen Metallen von großer Bedeutungsein. Besonders wichtig sind diese Effekte in Systemenreduzierter Dimension: in zweidimensionalen ungeordnetenFilmen, in (quasi)-eindimensionalen Drähtenund in mesoskopischen Systemen. Von herausragendemInteresse ist dabei der Quanten-Hall-Effekt, der am Instituteingehend untersucht wird. Die Arbeiten werdenz.T. in enger Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern vonmehreren führenden ausländischen Universitäten und Institutendurchgeführt, insbesondere: University of Chicagound University of California (USA), University of Notthingham(UK), Institute for Solid State Physics, Moskau(Russland).Um die Vielzahl der Erscheinungen theoretisch beschreibenzu können, setzen wir ein breites Spektrum von Methodenein. Auf der analytischen Seite sind Quantenfeldtheorie,diagrammatische Störungstheorie und kinetischeGleichungen im Repertoire. Weil Näherungen in den analytischenZugängen unvermeidlich sind, spielen aber auchnumerische Methoden als komplementäre Zugänge einewichtige Rolle. So betreiben wir z.B. numerische Simulationender Dynamik von Teilchen, Transfermatrix- undDiagonalisierungsrechnungen. Zu diesen Themen werdenDiplom- und Doktorarbeiten angeboten.Quantenkohärenz in FestkörpersystemenProf. Dr. A. ShnirmanIn den letzten Jahren wurden bahnbrechende Fortschrittein der Herstellung von Nano-strukturen erreicht undeine Reihe spektakulärer Quantenphänomene entdecktund untersucht. Supraleitende Bauelemente für ku?nftigerQuantencomputer wurden erfolgreich kohärent manipu-11

Hochhaus-Infoliert und miteinander verschränkt. Spin-Quantenbits wurdenin Halbleiter-Quantenpunkten nachgewiesen. KalteGase wurden mittels Laserstrahlung gespeichert und biszur Bose-Einstein-Kondensation geku?hlt. Alle diese Erfolge,die sowohl fu?r Grundlagenphysik als auch fu?rzuku?nftiger Technologien extrem wichtig sind, basierenauf theoretischen Grundlagen der modernen Quantenphysik.Die Forschung in unserem Bereich ist an derGrenze zwischen Festkörperphysik (mesoskopische undstark korrelierte Systeme), Quantenoptik, und Quanteninformationsverarbeitungpositioniert. Es werden neueMöglichkeiten erforscht, nanoskalige physikalische Systemefür die Quanteninformations-verarbeitung zu verwenden.Besonders wichtig ist das Problem der Dekohärenz,deren Eigenschaften und Quellen auf Grund von Stromrauschen,besonders ”1/fRauschen, untersucht werden.Auch das Problem der Verbindung zwischen mesoskopischenFestkörper-Systemen und optischen Systemen istheute sehr relevant. Es ist geplant in neue Forschungsthemen,wie kalte Gase oder Quantenphasenübergänge instark korrelierten Festkörpersystemen einzusteigen. Weiterwerden die Eigenschaften von stark korrelierten Systemenuntersucht die aus Josephson-Elementen oder Quantenpunktenbestehen.Institut für Theoretishe Teilchenphysik (TTP)Wo und Wer?Sekretariat:M. Schorn, Zimmer 11/07, Tel.: 0721/608-3373Professoren:J.H. Kühn, Zimmer 11/06, Tel.: 0721/608-3373M. Steinhauser, Zimmer 11/11, Tel.: 0721/608-7149U. Nierste, Zimmer 11/14, Tel.: 0721/608-6128ForschungDas Standardmodell der Elementarteilchen beschreibt dieelektroschwache und starke Wechselwirkung der Quarksund Leptonen. In den zurückliegenden drei Jahrzehntenhat es allen Tests an Beschleunigerexperimenten standgehaltenund sich als erfolgreichste Theorie der Naturwissenschaftenetabliert. Die Fermionen, also Quarks undLeptonen, gruppieren sich in drei Generationen, wobeidie uns umgebende Materie nur aus Teilchen der erstenGeneration besteht. Die Fermionen der anderen beidenGenrationen sind schwerer und instabil, weil sie in dieTeilchen der ersten Generation zerfallen. Sie können jedochan Teilchenbeschleunigern erzeugt werden und lieferndort über ihre Produktionswirkungsquerschnitte undihre Zerfallsraten wertvolle Informationen über die fundamentalenWechselwirkungen. Zentrale Elemente des Standardmodellssind die Eichwechselwirkungen, zu denen diestarke, elektromagnetische und schwache Wechselwirkunggehören, und die Yukawa-Wechselwirkungen, die den Fermionenihre Masse verleihen und zu Übergängen zwischenFermionen verschiedener Generationen führen.Das Standardmodell gehört zu den relativistischenQuantenfeldtheorien, welche die Prinzipien der Relativitätstheorieund der Quantenmechanik in sich vereinen.Speziell handelt es sich beim Standardmodell um eineEichtheorie, welche in Analogie zur Quantenelektrodynamik(QED) aufgebaut ist. Anders als die QED enthält dasStandardmodell jedoch sogenannte nichtabelsche Eichgruppen,die dazu führen, dass die zugehörigen Eichbosonennicht nur an Fermionen, sondern auch an anderenEichbosonen koppeln. Bei den Eichbosonen der starkenWechselwirkung, den Gluonen, hat ihre Selbstwechselwirkungeneine dramatische Konsequenz: Die starke Wechselwirkungwird bei höheren Energien immer schwächer.Die Entdeckung dieser asymptotischen Freiheit wurde mitdem Nobelpreis des Jahres 2004 gewürdigt. Das zentralemathematische Instrument, mit dem wir heute nichtabelscheEichtheorien auswerten, ist die Störungstheorie,d.h. die Entwicklung physikalischer Observablen in kleinenKopplungskonstanten. Für den Beweis der mathematischenKonsistenz der Störungstheorie in nichtabelschenEichtheorien wurde der Physik-Nobelpreis des Jahres 1999verliehen.Ein wichtiges Element des Standardmodells ist das Higgs-Feld, das für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlichist. Die Fermionen erhalten ihre Massen dabeidurch die Yukawa-Wechselwirkungen, die außerdemzur Flavourmischung der Quarks führen. Die Flavourmischungist die Ursache für den Zerfall der Quarks derzweiten und dritten Fermion-Generation in die leichterenQuarks der ersten Generation. Zwei wichtige Phänomeneder Flavourphysik sind die Oszillationen bestimmter Mesonenin ihre Antiteilchen und die Verletzung der CP-Symmetrie durch die Yukawa-Wechselwirkungen. CP-Verletzung bedeutet, dass sich Quarks und Antiquarksin schwachen Zerfällen unterschiedlich verhalten. BeidePhänomene sind theoretisch interessant, weil sie Effekteschwerer virtueller Teilchen und damit sensitiv auf Physikjenseits des Standardmodells sind. Die Erklärung derCP-Verletzung durch die Yukawa-Wechselwirkungen wurdemit dem Physik-Nobelpreis des Jahres 2008 honoriert.Am Institut für Theoretische Teilchenphysik werden Rechnungenzur phänomenologischen Teilchenphysik im Rahmendes Standardmodells durchgeführt und mögliche Erweiterungendieses Modelles betrachtet. Das TTP gehörtzu den weltweit führenden Instituten auf dem Gebiet derstörungstheoretischen Quantenfeldtheorie. Dabei wird sowohlder Eich- als auch der Yukawa-Sektor des Standardmodellsuntersucht. Eine wichtige Erweiterung des Standardmodellsergibt sich durch seine Ergänzung um das(maßgeblich in Karlsruhe entwickelte) Prinzip der Supersymmetrie.Am TTP werden virtuelle Effekte der hypothetischensupersymmetrischen Teilchen auf präzise gemesseneObservablen berechnet.Die Forschungsrichtungen sind im Detail:12

• Elektroschwache Korrekturen bei hohen Energien — SudakovLogarithmen,• Präzisionsbestimmungen der starken Kopplungs-Konstanten und der Quarkmassen,• Präzisionstests der elektroschwachen Wechselwirkung,• Topquark-Erzeugung an Collidern,• Physik des Tau-Leptons, exklusive semileptonischeZerfälle,• Elektron-Positron-Annihilation, Radiative Return“”und Monte-Carlo Generatoren,• Nicht-relativistische Quantenchromodynamik, Anwendungauf Quarkonia und Topquark-Produktion,• Higgs-Physik an Beschleunigern,• Supersymmetrische Strahlungskorrekturen,• Untersuchungen sog. großvereinheitlichter Theorien(GUT),• CP-Verletzung in Meson-Zerfällen,• Phänomenologie flavour-ändernder neutraler Ströme,• Automatisierung von Multiloop-Rechnungen, Entwicklungvon ParForm.Die Dozenten des TTP sind Mitglied im SonderforschungsbereichTransregio 9 (SFB/TR 9) Computergestützte”Theoretische Teilchenphysik“. Im Rahmen dieses SFB arbeitetdas TTP eng mit Gruppen an der RWTH Aachen,dem DESY in Zeuthen und der Humboldt-Universität zuBerlin zusammen.Diplomarbeiten werden in allen genannten Bereichen vergeben.LehreNeben den Veranstaltungen des normalen Curriculumswerden regelmäßig Spezialvorlesungen aus der TheoretischenTeilchenphysik aber auch im Zusammengang mitComputational Physics angeboten und begleitende Seminaredurchgeführt.Die Dozenten des TTP sind Mitglied im Graduiertenkolleg”Hochenergiephysik und Teilchenastrophysik“ undim ”KIT-Centrum für Elementarteilchenphysik und Astroteilchenphysik“(KCETA) in deren Rahmen ebenfalls verschiedeneLehrveranstaltungen angeboten werden, an denenauch Diplomanden und Doktoranden teilnehmen sollten.AusstattungAufgrund der verschiedenen Drittmittelprojekte ist dasTTP sehr gut mit Rechnern ausgestattet. Alle Mitglieder(auch Diplomanden) haben Arbeitsplatzrechner zurVerfügung, über die man auch auf die wesentlich leistungsfähigerenParallelrechner des TTP zugreifen kann.KooperationDie Dozenten des TTP verfügen über weitreichende InundAuslandskontakte, die teilweise durch Drittmittelgefördert werden. Insbesondere gibt es neben der Zusammenarbeitmit den Partnern des SFB/TR 9 auch Kooperationenmit Italien, den Niederlanden, Spanien, Polen,Russland und den USA. Das TTP leitet den Knoten“Deutschland-Süd” des Europäischen Forschungs- undTrainingsnetzwerks Flavianet, in dem 40 Forschungsgruppenan Universitäten und Forschungslabore miteinandervernetzt sind.Weitere Informationen. . . erhält man in den Sprechstunden der Dozenten oderauch über das Internetwww-ttp.physik.uni-karlsruhe.de.Institut für Meteorologie und KlimaforschungMeteorologie ist ein spezielles Teilgebiet der Physik undbefasst sich mit den physikalischen Vorgängen in derLufthülle der Erde. Ihr Ziel ist es, das Geschehen in derAtmosphäre durch Messungen zu erfassen, auf der Grundlagephysikalischer Gesetze zu erklären und auch vorherzusagen.Ein spezifisches Merkmal der atmosphärischenVorgänge ist ihre sehr große zeitliche und räumliche Bandbreite:Turbulente Änderungen laufen sehr kurzfristig undauf eng begrenztem Raum ab, während im Gegensatz dazuKlimaänderungen global auftreten und langfristiger Natursind. Zudem sind alle Prozesse eng miteinander verzahnt,so dass nicht nur die atmosphärischen Prozesse im Einzelnen,sondern auch ihre internen Kopplungen und gegenseitigeWechselwirkungen zu untersuchen sind. Dies betrifftauch Vorgänge, die die chemische Zusammensetzungder gesamten Atmosphäre beeinflussen (Vulkanausbrüche,Freisetzung von Emissionen durch Industrie und Verkehr).Das Arbeitsfeld von Meteorologen umfasst• die Entwicklung neuartiger Messgeräte, die auf modernsterTechnologie beruhen (z.B. Laser),• die Messung, Auswertung und Analyse atmosphärischerParameter, die vom Boden aus, von Flugzeugen und Satellitenerfasst werden, sowie• die theoretische Beschreibung atmosphärischer Prozesseund ihre numerische Modellierung mit Hilfe leistungsfähigerGroßrechenanlagen.Meteorologen arbeiten in Lehre und Forschung,beschäftigen sich in der Praxis mit Wettervorhersage undübernehmen gutachterliche sowie beratende Tätigkeiten.Das InstitutDas Institut für Meteorologie und Klimaforschung(IMK) wurde 1929 an der Universität Karlsruhe gegründetund wird seit 1985 gemeinsam mit dem ForschungszentrumKarlsruhe (FZK) betrieben. Die gemeinsamenInstitutsbereiche umfassen die ArbeitsgebieteTroposphärenforschung (IMK-TRO, http://wwwfzk.imk.uni-karlsruhe.de/)sowie atmosphärische Spurengaseund Fernerkundung (IMK-ASF, http://www-13

Hochhaus-Infoimk.fzk.de/imk2/imk2-d.html/). Zwei weitere Institutsbereicheim Forschungszentrum Karlsruhe sind die atmosphärischeAerosolforschung (IMK-AAF, http://imkaida.fzk.de/)und die atmosphärische Umweltforschung(IMK-IFU, http://imk-ifu.fzk.de/).Im Bereich Troposphärenforschung (IMK-TRO)(Prof. Dr. Ch. Kottmeier (Leitung), Prof. Dr. K.D. Beheng(Studiendekan der Meteorologie) und Prof. Dr. S.Jones (geschäftsführende Institutsleiterin an der Universität))werden grundlegende Untersuchungen zu Wetterund Klima, Wasserkreislauf und Spurenstoffhaushaltendurchgeführt. Hierzu werden atmosphärische Prozesse wieTurbulenz, Konvektion, Wolkenmikrophysik, Aerosolphysik,Atmosphärendynamik, Niederschlagsentstehung undAustausch-vorgänge an der Erdoberfläche durch Messungen,mit numerischen Modellen und theoretischen Verfahrenuntersucht. Forschungsschwerpunkte sind die Einflüsseder Orographie auf Wind- und Niederschlagsverteilung,die Transporte und Umwandlungen von Wasser, Energie,Spurengasen und Aerosolen in der Troposphäre, dieAuslösung und Entwicklung von konvektiven Systemen,die Dynamik und Vorhersagbarkeit von Wettersystemenin den Tropen und in unseren Breiten, die regionale Klimavariabilität,Wettergefahren durch Sturm, Starkregenund Gewitter. Die Weiterentwicklung eigener Modellsystemeund die Geräteentwicklung nehmen einen breitenRaum ein. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten findenAnwendung bei Fragen zum menschlichen Einfluss aufdie chemische Zusammensetzung der Atmosphäre und aufdas Klima sowie bei der Verbesserung der Wettervorhersageund der Risikobewertung von Wettergefahren.Der Teilbereich Atmosphärische Spurengase undFernerkundung (IMK-ASF), Leitung Prof. Dr. H. Fischer,beschäftigt sich mit der Erforschung der Atmosphäreund des Klimawandels. Es untersucht insbesonderechemische und mikrophysikalische Prozesse sowie denTransport von Spurenstoffen (Spurengase, Aerosole) in derAtmosphäre. Der methodische Schwerpunkt liegt bei derWeiterentwicklung und Nutzung von Fernerkundungsverfahrenzur Erfassung atmosphärischer Parameter. WesentlicheAnwendungen sind das Studium des Ozonabbaus unddie Auswirkungen der veränderlichen Zusammensetzungder Atmosphäre auf das Klima. Weitere Forschungsthemensind die Wechselwirkung der solaren Strahlung mitder Atmosphäre und die großräumige Analyse von Eigenschaftenvon Landoberflächen. Weitere Informationen befindensich unter www-imk.fzk.de/asf.ForschungsthemenProf. BehengWolken und Niederschlag beeinflussen in vielfältiger Weiseunser Wetter. Jedoch sind unsere Kenntnisse über elementarethermo- und hydrodynamische Mechanismen, Prozesseund Effekte immer noch begrenzt. Um diesem Mangelabzuhelfen, werden sowohl numerische Simulationenwolkenmikrophysikalischer Prozesse im Kontext mit derEntwicklung von konvektiven Wolken als auch Messungenmit institutseigenen Radargeräten (C-Band, K-Band)durchgeführt. Es werden in diesem Zusammenhang Methodenentwickelt, die in Wettervorhersagemodellen einsetzbarsind. Als numerisches Handwerkszeug wird dasoperationelle Wettervorhersagemodell des Deutschen Wetterdienstes,allerdings mit einer sehr viel feineren horizontalenAuflösung, eingesetzt. Zu den Methoden gehörenParametrisierungen von wolkenmikrophysikalischen Prozessenund Auswertealgorithmen für Radardaten. Zunehmendwerden auch Einflüsse der Wolken- und Niederschlagsentwicklungauf die Dynamik konvektiver Systemeuntersucht, die sich über gebirgigem Gelände einstellen.Auch Reaktionen von Wolken auf unterschiedliche Bedingungen(Kondensationskern- und Eiskeimkonzentrationen)werden am Beispiel von Gewitterbildung im Schwarzwaldund der Niederschlagsentwicklung in einem semiaridenGebiet (Israel) studiert. Einzelprozesse wie der Einflussvon Turbulenz auf das stoßinduzierte Wachstum vonkleinen Tropfen und der Zerfall von großen Niederschlagstropfendurch Kollisionen werden, wie meist alle Projekte,in Kooperation mit nationalen und internationalen Arbeitsgruppenbearbeitet.Prof. FischerNatürliche und anthropogene Spurengase in der Atmosphärespielen sowohl in der Ozon- und Klimaforschungals auch bei anderen Umweltproblemen eine wichtige Rolle.Ein Schwerpunkt der Forschungsarbeiten liegt aufdem Sektor des stratosphärischen Ozonabbaus und derWechselwirkung der stratosphärischen Veränderungen mitdem Klima. Daneben werden auch Austauschprozesse zwischenStratosphäre und Troposphäre sowie die Spurengasverteilungin der Tropopausenregion und großräumigeVerteilungen von Landoberflächenparametern studiert.Die aufgeführten atmosphärischen Prozesse werden durchaufwändige Feldmessungen sowie mit dreidimensionalennumerischen Modellen untersucht, ihre numerische Beschreibungverbessert und in Klimasimulationen verwendet.Im experimentellen Bereich liegt der Schwerpunkt bei derEntwicklung und Nutzung von Fernerkundungsinstrumentenund -verfahren. Zur Messung atmosphärischer Spurenstoffewurde ein neuartiges Fourierspektrometer (MIPAS= Michelson Interferometer für passive atmosphärischeSondierung) entwickelt, das vom Boden, von Ballons, vonFlugzeugen und von Satelliten aus eingesetzt wird. NeuartigeInstrumente (z. B. ein Fourierspektrometer mit einemzweidimensionalen Detektorarray) befinden sich in derEntwicklung. Ergänzt werden diese Beobachtungen durchdie Fernerkundung mit bodengebundenen Millimeterwellenradiometern.Bodengebundene Fernmeßsysteme werdenauch zur Vertikalsondierung des Wind- und Temperaturprofilsin der planetarischen Grenzschicht genutzt. Mittelsin-situ Messungen auf Verkehrs- und Forschungsflugzeugenwerden Prozesse und langfristige Veränderungenin der Tropopausenregion untersucht. Ein Satellitendatenverarbeitungssystemwird zur Gewinnung von Landoberflächenparameterneingesetzt, die sich für klimatologischeUntersuchungen bezüglich der Wechselwirkung zwischenBoden und Atmosphäre und zur Überprüfung numerischer14

Modelle eignen.Prof. JonesUnsere Forschungstätigkeiten befassen sich damit die Dynamiksynoptischskaliger und mesoskaliger Wettersystemezu erklären, die Darstellung dieser Systeme in operationellenWettervorhersagesystemen zu untersuchen und die Mechanismen,die die Vorhersagbarkeit begrenzen, zu quantifizieren.Das Ziel unserer Forschung ist die Bereitstellungdes Basiswissens, das nötig ist, um Fortschritte in dernumerischen Wettervorhersage zu erzielen, und damit dieFrühwarnung von Extremwetterereignissen zu verbessern.Die Forschung wird mittels folgender Methoden durchgeführt:numerische Modellierung, Analyse und Anwendungvon operationellen Vorhersagen einschließlichEnsemblevorhersage- und Datenassimilationssystemen,Anwendung von Techniken wie Inversion der potentiellenVorticity, Planung von Messkampagnen und Analyse derdabei gewonnen Beobachtungen. Die Modellierung reichtvon Studien mit hochgradig idealisierten Anfangsbedingungenbis zu Simulationen realer Fälle.Laufende Forschungsprojekte umfassen:• Die Umwandlung tropischer Wirbelstürme in außertropischeSysteme, sowie ihre weiteren Auswirkungen aufdie Entwicklung von Wettersystemen in den mittlerenBreiten.• Wettersysteme des westafrikanischen Monsuns – afrikanischeËasterly Wavesmit eingelagerter Konvektion undtropische Wirbelstürme – und ihre Wechselwirkung mitder SSaharan Air Layer”.• Die Anwendung von zielorientierter Adaptivität um dienumerische Modellierung von tropischen Zyklonen zuverbessern.Prof. KottmeierUntersuchungen zu atmosphärischen Prozessen in der Troposphärewerden in Arbeitsgruppen am ForschungszentrumKarlsruhe und an der Universität durchgeführt.Schwerpunkte im Bereich Landoberflächen undGrenzschicht sind:• die Wechselwirkung zwischen Landoberfläche und Atmosphäreauf verschiedenen Skalen,• Turbulenz und Austauschprozesse in der Grenzschichtsowie zwischen Grenzschicht und freier Troposphäre,• Regionale Windsysteme und regionales Klima• Ausbreitung von Spurenstoffen im mesoskaligen Bereich• und die Entwicklung von innovativen Messmethoden zurflächenhaften Bestimmung der BodenfeuchteZielsetzung ist, zu einem verbesserten Verständnis der atmosphärischenProzesse und deren Wechselwirkung mitdem Untergrund zu gelangen und zur Überprüfung undVerbesserung von mesoskaligen Modellen beizutragen. DieMesssysteme reichen von bodengebundenen und ballongetragenenGeräten über Fernerkundungsverfahren hin zuflugzeuggestützten Messplattformen.Konvektion ist ein Prozess, der in der Atmosphäre für dieUmverteilung von Impuls, Wärme und Wasser sowie vonnatürlichen und anthropogenen Spurenstoffen sorgt. Damitübt die Konvektion einen wichtigen Einfluss auf Wetterund Klima sowie auf die Qualität der Atemluft aus. DieGrößenordnung konvektiver Systeme reicht von kleinskaligerThermik bis hin zu mesoskaligen konvektiven Komplexen.Folglich ist auch ihre Transporteffizienz äußerstvariabel. Schwerpunkte der Arbeit zur Konvektive Systemesind:• Untersuchung der Auslösemechanismen für Konvektionin komplexem Gelände• Bestimmung der Transporteffizienz von Konvektion aufverschiedenen Skalen• Analyse des Zusammenspiels von vertikalem und horizontalemTransportNeben bodengebundenen Vertikalsondierungssystemensetzt die Arbeitsgruppe zur Erfassung der Konvektion vorrangigein Forschungsflugzeug des Typs DO 128 sowie einDropsondensystem ein.Die Arbeitsgruppe Spurenstoffmodellierung und Klimaprozessebefasst sich mit der Simulation der Ausbreitungvon gas- und partikelförmigen Spurenstoffen in derTroposphäre. Schwerpunkt der Arbeiten ist die Analyseder Prozesse, die für die räumliche und zeitliche Verteilungder Spurenstoffe von Bedeutung sind.Aerosole spielen eine wichtige Rolle im Klimasystem. Siemodifizieren das Strahlungsfeld und treten in Wechselwirkungmit Wolken und den gasförmigen Spurenstoffen. ZurQuantifizierung der relevanten physikalischen und chemischenVorgänge und deren Wechselwirkungen mit dem regionalenKlima entwickeln wir komplexe numerische Simulationsmodelleauf verschiedenen Skalen bis hin zur synoptischenSkala.Wasserkreislauf und Klima bestimmen die irdischenLebensbedingungen und haben beispielsweise Einflussauf die Verfügbarkeit von Trinkwasser, auf die LandundForstwirtschaft und alle Massnahmen der Wasserbewirtschaftung.Der Niederschlag in einer Region istdurch ihre geographische Lage, die Orographie und dieLandbedeckung geprägt und oft mit einer ausgeprägtenräumlichen Variabilität verbunden. Forschungsarbeiten zudiesem Thema befassen sich mit der Modellierung, derAnalyse und der Interpretation der beiden eng miteinanderverknüpften Themen Wasser und Klima auf der regionalenSkala in hoher räumlicher Auflösung.Meteorologische Extremereignisse wie schwere Sturmböen,Starkniederschläge, Hagelschlag oder Blitzschlag weisenein sehr hohes Gefährdungspotential auf. Durch den Einflussder Orografie kann dabei die Intensität und damitdas Schadenausmaß noch weiter verstärkt werden. Durchden anthropogen bedingten Klimawandel ist zudem miteiner Änderung der Intensität und Häufigkeit dieser Ereignissezu rechnen, die bereits heute beobachtet werdenkann. Für die Verringerung der atmosphärisch bedingtenRisiken ist eine genaue Quantifizierung der heutigen undzukünftigen Gefährdung durch Wettersysteme notwendig.Aktuelle Forschungsarbeiten beschäftigen sich mitder Abschätzung extremer Windgeschwindigkeiten durchWinterstürme unter heutigen und zukünftig zu erwartendenatmosphärischen Bedingungen, der Modifikation vonWind- und Niederschlagsfeldern durch orografische Strukturen,und der Quantifizierung der Hagelgefährdung unterBerücksichtigung des Klimawandels.15

Hochhaus-InfoWeitere InformationenAuf der Webseite des Instituts” www.imk.unikarlsruhe.de“sind weitere Informationen zu Forschungund Lehre zu finden. Unter dem Link SStudium undLehre”werden aktuell u.a. Themen für Seminar- und Diplomarbeitenangeboten, zukünftig auch für Bachelor- undMasterarbeiten. Es wird empfohlen, wegen ausführlicherInformationen sich direkt an die Dozenten und die Mitarbeiterdes Instituts zu wenden.Geophysikalisches InstitutGeophysikGeophysik ist die Physik der festen Erde. Geophysiker-Innen erkunden das Innere der Erde mit physikalischenMethoden mit dem Ziel, geologische Strukturen abzubilden,Zustände zu beschreiben und Prozesse zu beobachten.Einsatzfelder der Geophysik sind die Suche nach Rohstoffen(Öl, Gas, Minerale), Umweltfragen (Schadstoffdetektion,Deponieuntersuchungen, hydrogeologische Arbeiten),große Bauvorhaben (Untergrunduntersuchungenfürr Tunnel, Dämme, Hochbauten, etc.), die Katastrophenüberwachungund Frühwarnung (Erdbeben, Vulkane,Hangrutschungen) und die Erkundung des tiefen Erdinnernvon der Edkruste bis in den inneren Kern. Das Studium,das ganz eng an das Studium der Physik angelehntist, vermittelt die Grundlagen für diese Themen.InstitutDas Institut wurde 1964 von Prof. Stephan Müller gegründet.Dessen Nachfolge trat Prof. Karl Fuchs an, der1997 emeritierte. Der momentane Lehrstuhlinhaber istProf. Friedemann Wenzel, der 1994 berufen wurde. 1986wurde ein zweiter Lehrstuhl am Institut Angewandte Geophysiketabliert, auf den Prof. Peter Hubral berufen wurde.Er ist 2006 ausgeschieden. Das Berufungsverfahren fürseine Nachfolge ist fast abgeschlossen. Das Institut verfügtüber 30 wissenschaftliche und 9 nichtwissenschaftliche Angestellte(Stand Januar 2008). Die Geophysik in Karlsruhehat 65 Studenten und 15 Doktoranden (WS 2008/09).ForschungsrichtungenDas Institut beschäftigt sich im Wesentlichen mit verschiedenenRichtungen der Seismologie und Tektonik:Im Bereich Erdbebenseismologie findet sich:• Im Rahmen von Programmen des BMBF und der europäischenForschungsförderung beschäftigen wir undmit Frühwarnung (Istanbul, Bukarest) und Informationssystemenbei Katastrophen• Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert Projektezur seismischen Gefährdung und zur numerischen 3DModellierung von Wellenausbreitung und der Prognostikvon Bodenbewegungen bei Starkbeben.• Im Rahmen des Center for Disaster Management andRisk Reduction Technology (CEDIM, www.cedim.de)untersuchen wir Ursachen, Wirkung und• Methoden der Schadensminderung im Fall starker Erdbebenin interdisziplinärer Zusammenarbeit von Ingenieurenund Geowissenschaftlern.• Beteiligung an globalen Risikoschätzungen (Global EarthquakeModel, www.globalquakemodel.com)Die Breitband-Seismologie beschäftigt sich mit der Analyseder seismischen Wellenausbreitung in einem breitenFrequenzband von etwa 0.005 bis 50 Hz. Dieses Frequenzbandenthält das komplette Wellenfeld von Nahbebensowie die Raum- und langperiodischen Oberflächenwellenvon Fernbeben. Das mobile KArlsruher BreitBand Array(KABBA) besteht aus 32 autonomen, digitalen 3-Komponenten Breitband-Stationen und ist die beste seismologischeAusrüstung einer europäischen Hochschule.Forschungsperspektiven reichen von der Quantifizierungder Bodenunruhe (Ingenieurfragestellungen), über urbaneSeismologie (die Dynamik einer Stadt reflektiert in seismologischenDaten), Physik von Vulkanen und Erdbeben,Studien und Verständnis der Dynamik der Lithosphäre,des Erdmantels und der Kern-Mantel-Grenze.Explorationsgeophysik im Rahmen des Industriekonsortiums’Wave Inversion Technology (WIT)’. Das Ziel istdie Entwicklung und Erstellung effizienter Modellier-,Inversions- und Abbildmethoden basierend auf elastodynamischer,akustischer und elektromagnetischer Wellenausbreitung.Diese Methoden werden zur Bestimmungvon Strukturen und gesteinsphysikalischen Parameternin der Erdölexploration und Reservoircharakterisierunggebraucht. Forschungsthemen umfassen die Verbesserungder Abbilder, besonders aber die Inversion petrophysikalischerParameter (Streuung, Porosität, Permeabilität undFluidsättigung).Interpretation und numerischen Simulation von Spannungsdatenzur Kontrolle der Anordnung von InjektionsundFörderbohrungen in der Erdölindustrie und bei derGewinnung geothermischer Energie.Das Institut ist seit 1997 involviert in die Ëarthquakesand Megacities Initiative (EMI), die sich die Förderungder Katastrophenbekämpfung in urbanen Ballungszentrenzur Aufgabe gemacht hat.In allen genannten Gebieten werden Diplom- undDoktorarbeiten angeboten. Webpage: http://wwwgpi.physik.uni-karlsruhe.de/16

Laboratorium für Applikationen der Synchrotronstrahlung(LAS)Das Laboratorium für Applikationen der Synchrotronstrahlung(LAS) wurde 2004 gegründet und entwickeltmoderne Synchrotrontechnologie zur Untersuchung derStruktur und Eigenschaften von Festkörpern, Materialien,Nanostrukturen und Mikrosystemen.Synchrotronstrahlung entsteht bei der Beschleunigung relativistischergeladener Teilchen etwa in Elektronenspeicherringenund wird an speziell dafür ausgelegten Großgerätenmit einer Vielzahl analytischer Methoden auf einerbreiten Palette von Anwendungsfeldern genutzt. DasLAS ist an der Synchrotronstrahlungsquelle ANKA desForschungszentrums Karlsruhe (FZK) beteiligt und arbeiteteng mit dem Institut für Synchrotronstrahlung (ISS)zusammen.AG Supraleitende Undulator-TechnologienDie Arbeitsschwerpunkte der Arbeitsgruppe SupraleitendeUndulatoren liegen auf der Entwicklung supraleitenderElektromagnetstrukturen zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung,der Erforschung von deren Eigenschaftenund Wechselwirkungen mit dem Elektronenstrahl sowieder Entwicklung neuartiger, die supraleitende Undulatortechniknutzender Synchrotronstrahlungsquellen.Undulatoren sind periodische Magnetstrukturen, die indie geraden Strecken von Elektron-Synchrotrons zur Erzeugunghochbrillanter Synchrotronstrahlung eingebautwerden. Supraleitende Undulatoren zeichnen sich gegenüberPermanentmagnet-Undulatoren und normalleitendenElektromagneten dabei durch eine höhere erreichbareFeldstärke bei gegebener Spalthöhe und Periodenlängeaus. Ein besonderes Merkmal supraleitenderUndulatoren ist die Möglichkeit spezieller Bauformen fürumschaltbare Periodenlängen sowie für die Erzeugung helischerFelder mit umschaltbarer Helizität (für die Erzeugungvon Photonen mit umschaltbarer elliptischer Polarisierung).Die AG supraleitende Undulatortechnologien entwirft undoptimiert Designs für supraleitende Undulatoren in Hinblickauf verschiedene experimentellen Anforderungen diedurch den Betrieb im Teilchenbeschleuniger (Speicherring,Linearbeschleuniger, Wakefieldbeschleuniger) vorgegebenwerden. Die dafür notwendigen Simulationsrechnungenwerden mit kommerzieller Finite-Elemente-Software undin-house programmierter Software durchgeführt.Die besonderen Strahlungseigenschaften von Undulatorenhängen von der kohärenten konstruktiven Interferenzder emittierten Photonen miteinander ab. Kleine Fehlerim Magnetfeld können dabei schon zu empfindlichenStörungen führen, so dass die Korrektur von Feldfehlernvon entscheidender Bedeutung ist. In Permanentmagnet-Undulatoren wird diese durch sogenanntes Shimming erreicht.Die Korrektur von Feldfehlern in supraleitendenUndulatoren ist komplexer. Die AG supraleitende Undulatortechnologiendes LAS beschäftigt sich deshalb mit derEntwicklung von aktiven und passiven Konzepten zur Korrekturvon Feldfehlern in supraleitenden Undulatoren.Messungen der Feldqualität an bereits gefertigten Gerätenwerden in Zusammenarbeit mit dem ISS und der UniErlangen durchgeführt. Die Datenanalyse erfolgt mit imHause entwickelter Software und auch die Wechselwirkungendes Undulatorfeldes mit dem Elektronenstrahl wirdrechnerisch untersucht.In den vergangenen Jahren erregte eine neue Art vonTeilchenbeschleuniger immer mehr Aufmerksamkeit, welchean Stelle von RF-Kavitäten ein Plasma als beschleunigendesMedium nutzt. In einem Plasma können lokaleFeldstärken von bis zu 100 GeV/m auftreten. Daherkönnen Plasmabeschleuniger sehr klein gebaut werden undkönnen mit geeigneten supraleitenden Undulatoren, mitkurzer Periodenlänge und hohem Feld, kombiniert werdenum eine sehr kompakte Synchrotronstrahlungsquellezu erhalten. Für diese Undulatoren sind aber neue Materialienerforderlich, die eine höhere Stromdichte erlaubenals sie in bisher verwendeten Supraleitern erreichbar ist.Das LAS untersucht in Zusammenarbeit mit dem CERN,der LMU München und dem FZK verschiedene Materialien(Nb 3 Sn, YBCO u.a.) im Hinblick auf die Möglichkeitenund speziellen Herausforderungen die sie bieten.AG Terahertz-Strahlung17

Hochhaus-InfoDie Arbeitsgruppe kohärente THz-Strahlung, eine 2007eingerichtete Helmholtz-Hochschul Nachwuchsgruppe,beschäftigt sich mit der Dynamik ultrakurzer Elektronenpakete(Bunche) in Beschleunigern. Ultrakurze Bunch-Längen werden benötigt, um in Speicherringen kohärenteTHz-Strahlung zu erzeugen. THz-Strahlung entstammtdem Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischenMikrowellen und dem Infrarot. Die enorme Bedeutungvon THz-Strahlung für viele Gebiete der Wissenschaft,wie zum Beispiel in der Festkörperphysik, Biologie undNanotechnologie zeigt sich an ihren zahlreichen Anwendungen.Bisher gab es kaum Möglichkeiten, hinreichendintensive und brillante Strahlung in dem fraglichen Wellenlängenbereichzu erzeugen, weshalb der Bereich auchals ’THz Lücke’ bezeichnet wird. Eine spezielle Betriebsarterlaubt es jedoch zum Beispiel am ANKA-Speicherring,stabile kohärente THz-Strahlung zu erzeugen.Die Arbeitsgruppe betreibt moderne Beschleunigerphysikmit Fokus auf die Strahldynamik der ultrakurzen Pakete,welche die hochintensive kohärente THz-Strahlung emittieren.Ein Ziel ist dabei, die THz-Strahlung am ANKA-Speicherring für Experimente nutzbar zu machen.Die von der AG abgedeckten Themen umfassen dieCharakterisierung der THz-Strahlung, Beschleunigeroptikund Strahldynamik, Messungen der Bunch-Längen und -Formen sowie die Untersuchung von Einzel- und Multi-Bunch Effekten.Um den Nutzerbetrieb des ANKA-Speicherrings mit THz-Strahlung zu optimieren, ist es essentiell, die Strahlungscharakteristikenals Funktion der Betriebsparameter desBeschleunigers genau zu verstehen. Die Charakterisierungder THz-Strahlung ist daher ein wichtiger Teil der Aktivitätender AG THz-Strahlung, ebenso wie die Simulationder Dynamik von Beschleunigeroptiken für kurze Buncheund der Vergleich mit Messdaten. Verschiedenste Effektekönnen die Bunch-Länge und -Form im Beschleunigerbeeinflussen. Um diese Effekte zu studieren, werden vonder AG THz-Strahlung unterschiedliche Detektorsystemebenutzt und entwickelt.Wechselwirkungen innerhalb eines Bunches und zwischenverschiedenen Bunchen können Instabilitäten hervorrufen,die die Erzeugung der THz-Strahlung beeinflussen. DieseProzesse werden mit einer neuen Elektronenquelle für einzelneBunche (Installation 2009) und einem Hot ElectronBolometer (schneller THz-Detektor) untersucht.Die AG arbeitet eng zusammen mit Partnern verschiedenerInstitute, zum Beispiel dem Helmholtz-Zentrum Berlin,der PTB, der Universität Bochum, dem DLR und demCERN.AG RöngenbeugungDünne Schichten spielen eine wichtige Rolle in der modernenTechnologie. Schichten von nur wenigen NanometernDicke bilden die Grundlage der Mikroelektronik mit immerkleineren und höher integrierten Chips. Schichten von100 nm Dicke dienen aber auch beispielsweise zum Schutzvon Flugzeugturbinen vor den heißen Verbrennungsgasen.Die Untersuchung der strukturellen Eigenschaften und derStrukturparameter stellt einen entscheidenden Schritt inder Herstellung dünner Schichten und Oberflächen dar.Das LAS entwickelt in Zusammenarbeit mit dem ISS moderneTechniken zur Erzeugung und Nutzung der Synchrotronstrahlungfür die Untersuchung der Struktur und Eigenschaftenvon Festkörpern, Materialien, dünnen Schichten,Mikrosystemen und Nanostrukturen.AG Abbildende RöntgenverfahrenDas Ziel der RCI-Methoden ist die numerische Rekonstruktioneiner Kristalloberfläche, um Defekte (Versetzungen,Punktdefekte, usw.) zu erkennen. Das Experimentbesteht aus der Messung einer 2D-Serie von Rocking-Kurven mithilfe eines CCD-Detektors. Die so erhaltene3D-Intensitätsverteilung (x,y,Theta), wobei x,y die Koordinatenund Theta der Bregg-Winkel sind, ist die Eingangsinformationfür die Entwicklung unserer Techniken(Methoden zur Lösung inverser Probleme) - Bestimmungder Topologie der Kristalloberfläche.Aus mathematischer Sicht bestehen inverse Problemedarin, Operatorgleichungen zu lösen. Diese Gleichungensind typischerweise schlecht gestellt (instabil nach Hadamard),d.h. sie haben keine eindeutige Lösung oderkleine Änderungen in den Eingangsdaten ziehen großeÄnderungen in den Ausgangsdaten (d.h. in der Lösung)nach sich. Solche Artefakte müssen im Lösungsprozessdurch spezielle Techniken - Regularisierung (Stabilisierung)beseitigt werden, die wiederum von Eigenschaftender Operatoren (Matrizen) abhängen. Am LAS werden numerischeAlgorithmen entwickelt, die zur stabilen Lösungdes inversen Problems führen.AG Röntgenographische SpannungsanalyseWegen ihrer vielfältigen Anwendungen in der Halbleitertechnik,auf Oberflächenschichten, für optische Geräte undandere Zwecke bieten nanokristalline Materialien zur Zeitein sehr aktives Forschungsfeld. Röntgenbeugung ist zurUntersuchung nanoskaliger Strukturen ideal geeignet. DasBeugungsmuster liefert Informationen sowohl über die kristallineStruktur als auch über Perfektion nanokristallinerDomänen, Verteilung von Fehlstellen, Kristallitgröße, mechanischeSpannungen, usw.Wir untersuchen die Abhängigkeit von elastischenund auch plastischen Deformationen vom angewendetenZug an dünnen Pd-Filmen. Das Deformationsverhalteninnerhalb der Proben wird in situ mitRöntgenbeugungsmethoden an der SynchrotronstrahlungsquelleANKA untersucht. Die Lage und Form derRöntgenreflexe dient zur Bestimmung von Mikrospannungen,Teilchengröße, Größenverteilung und Fehlstellendichtein Abhängigkeit vom angewendeten Zug.Die Analyse der erhaltenen Daten liefert einen Einblick indie vorhandenen Mikro- und Makrospannungen und dieTextur der Proben.AG Strukturbestimmung undPulverdiffraktometrieDie Kenntnis des räumlichen atomeren Aufbaus von Kristallenorganischer und anorganischer Verbindungen und18

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