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Universität Potsdam
Institut für Physik und Astronomie
Arbeit im Labor am optischen Tisch
Bild: Karla Fritze

Forschung am Institut

Forschungsschwerpunkte und Professuren

Chaotisches Muster beim Mischen von Flüsigkeiten
Bild: Arkady Pikovsky

Theoretische und Statistische Physik

Viele Phänomene in Natur, Technik und Gesellschaft zeigen ein komplexes dynamisches Verhalten, das nicht aus fundamentalen physikalischen Prinzipien ableitbar ist. Zur Beschreibung derartiger chaotischer Phänomene kombinieren unsere interdisziplinär kooperierenden Arbeitsgruppen ganz unterschiedliche Techniken unter anderen aus der Statistischen Physik, der nichtlinearen Physik und der Stochastik. Damit beschreiben wir Systeme auf sehr unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen: von nanoskopischen Materialien (etwa Quantenpunkte oder biologische Membranen) über geophysikalische Skalen (Atmosphäre, Grundwasser) bis hin zu Systemen der Astrophysik (wie das Ringsystem des Saturn). Insbesondere befassen wir uns auch mit lebenden Systemen, von den Prozessen einer einzelenen Zelle bis hin zu menschlichen Bewegungsmustern.
Forschungsschiff "Polarstern" in arktischen Gewässern
Bild: Alfred-Wegener-Institut / Mario Hoppmann (CC-BY 4.0)

Klimaphysik

Ein grundlegendes Verständnis des Klimasystems ist gerade in Zeiten des Klimawandels von besonderer Bedeutung. Die Klimaphysik beschäftigt sich mit der Erforschung der Physik (insbesondere der Dynamik) von Atmosphäre, Ozean und Eis sowie deren Wechselwirkungen im gekoppelten Klimasystem. Zu besonderen Forschungsschwerpunkten der Klimaphysik am Institut für Physik und Astronomie und an den angegliederten außeruniversitären Forschungseinrichtungen zählen die Physik der Atmosphäre, der hydrologische Kreislauf, die Erforschung globaler Meeresströmungen, die Dynamik der großen Eisschilde Grönlands und der Antarktis im Hinblick auf ihren Beitrag zum Anstieg des Meeresspiegels unter globaler Erwärmung sowie die Erforschung der Klimageschichte der Erde. Neben direkten Messungen und der Analyse von Daten werden dabei vor allem auch numerische Modelle des gekoppelten Klimasystems sowie seiner Komponenten entwickelt und angewandt.

Arbeitsgruppen und Professuren am Institut:

Angegliederte außeruniversitäre Arbeitsgruppen:

Optikexperiment unter Benutzung einer Smartphone Kamera
Bild: Andreas Borowski

Didaktik der Physik

Die fachdidaktische Forschung an der Universität Potsdam beshäftigt sich sowohl mit der Entwicklung von neuen Inhalten für den Unterricht, als auch mit empirisch-fachdidaktischer Grundlagenforschung. Bei der Entwicklung von neuen Inhalten geht es zum einen um die Entwicklung und Einbindung von Experimenten mit Smartphones in den Schul-Unterricht und in das Lehramts-Studium. Zum anderen werden neue Inhaltsfelder wie z. B. die Teilchenphysik für den Unterricht erschlossen. Im Bereich der fachdidaktischen Grundlagenforschung beschäftigen wir uns mit der Modellierung und Erfassung physikalischer Kompetenz in verschiedenen Stadien der Ausbildung an Schule und Hochschule unter besonderer Berücksichtigung der mathematischen Anforderungen in der Physik.

Arbeitsgruppen und Professuren am Institut:

Organische LED in Form der Initialen PwM
Bild: Frank Jaiser

Physik weicher und kondensierter Materie

Als weiche Materie (Soft Matter) bezeichnen wir molekulare Materialsysteme, die nur durch schwache Kräfte wie z.B. van-der-Waals Wechselwirkungen oder Wasserstoffbrückenbindungen gebunden sind. Daraus ergibt sich eine hohe Vielfalt an Strukturen, wie sie in den klassischen, kovalent gebundenen Materialien wie Metallen und anorganischen Halbleitern nicht zu finden ist.
Schwerpunkt der Forschung am Institut ist die Untersuchung von Transportprozessen in Nanostrukturen, dünnen Schichten und Fluiden. Aktuelle Arbeiten betreffen die elektronischen Eigenschaften einzelner Moleküle und molekulare Nanostrukturen auf Oberflächen, optoelektronische Phänomene in weichen Halbleitern für die Photovoltaik und Photokatalyse, optomechanische Prozesse in photoaktiven Nano- und Mikro-Motoren sowie Fluiddynamik in photoresponsiven Materialien. Von zunehmender Bedeutung sind zudem Quantenaspekte und damit verbunden magnetische und topologische Eigenschaften. Zur Untersuchung dieser Systeme setzen die beteiligten Gruppen eine Vielzahl teils hochauflösender Methoden ein, von der Rastersondenmikroskopie mit atomarer Auflösung bis hin zur optischen Spektroskopie mit Femtosekundenlasern.
Nordamerikanebel
Bild: Philipp Richter

Astrophysik

Mehrere Arbeitsgruppen am Institut für Physik und Astronomie befassen sich mit unterschiedlichen astrophysikalischen Themen: in der stellaren Astrophysik liegt unser Forschungsschwerpunkt auf den Endstadien der Sternentwicklung, engen Doppelsternsystemen und den Interaktionen von Sternen. Anhand von Beobachtungsdaten in verschiedenen Wellenlängenbereichen und hydrodynamischen Simulationen werden überdies die Eigenschaften massereicher Sterne und deren Sternwinde untersucht. Im Rahmen der galaktischen und extragalaktischen Astrophysik beschäftigen wir uns mit der Erforschung der diffusen Gaskomponente im Universum. Mit Hilfe spektroskopischer Untersuchungen und numerischer Simulationen werden die physikalischen Bedingungen im interstellaren und intergalaktischen Medium und die Rolle dieses Gases für die Entwicklung von Galaxien erforscht. Innerhalb der theoretischen Astrophysik liegt unser Fokus auf der numerischen Simulation binärer Neutronensternsysteme, zum einen, um deren exotische innere Eigenschaften zu erforschen, zum anderen, um Gravitationswellensignale im Kontext der "Multi-Messenger-Astrophysik" zu modellieren. Schließlich widmen wir uns in der Astroteilchenphysik und Plasmaastrophysik den teilchenphysikalischen Aspekten kosmischer Objekte und komplexen interstellaren Phänomenen, wie z.B. der Turbulenz. Sowohl mit theoretischen Methoden als auch mit Beobachtungsdaten werden kosmische Teilchen, Plasma-Phänomene und die ihnen zugrundeliegende Physik untersucht. Der Forschungsbereich Astrophysik zeichnet sich besonders durch eine intensive Vernetzung mit den verschiedenen außeruniversitären Instituten aus.
Optischer Tisch
Bild: Matias Bargheer

Photonik

Der Forschungsschwerpunkt Photonik/Quantenoptik an der Universität Potsdam konzentriert sich auf Fragen zum Verständnis der Physik des Lichts und seiner Wechselwirkung mit Materie. Von besonderem Interesse sind die dabei wirksam werdenden Quanteneigenschaften: merkwürdige Phänomene mit teils überraschenden Konsequenzen, etwa in der Quanteninformation. In der Anwendung spiegelt sich das wider in der Realisierung besonderer Lichtquellen, die es erlauben bekannte physikalische Grenzen zu überwinden. Nichtlineare optische Methoden werden sowohl in der spektroskopischen Untersuchung und Charakterisierung von Stoffen als auch in der Anwendung bei der Realisierung neuartiger Lichtquellen eingesetzt. Die theoretischen und praktischen Arbeiten beziehen sich dabei auf die Bereiche ultrakalte Gase, Nano-Optik, Quanteninformationsverarbeitung, Nichtlineare Spektroskopie, auf die Lasertechnik sowie die optische Messtechnik. Im Ergebnis der Forschung finden neuartige Konzepte ihre praktische Anwendung z.B. in der Medizintechnik, Informationstechnologie, Lasertechnik sowie weiteren analytischen Verfahren für die Lebenswissenschaften.
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