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Forschungsschwerpunkte
Der M.Sc. Allgemeine Physik ist ein 4-Semestriger Studiengang. In den ersten beiden Semestern werden in Vorlesungen und Übungen fortgeschrittene Inhalte vermittelt, während im dritten und vierten Semester eine Praxisphase in Form von 2 AG-Praktika, einem Forschungspraktikum und der Masterarbeit folgt. Die Wahl Ihrer Forschungsgruppe ist daher ausschlaggebend für Ihr Studium.
Im Folgenden befindet sich eine Übersicht über die Forschungsgruppen am Fachbereich.
Experimentalphysik
Neurophysik - Bremmer
Forschungsthemen
• Distanzreproduktion und Navigation in Augmented und Virtual Reality
• Kodierung von Eigenbewegungsinformation
• Koordinatentransformationen für visuelle Repräsentationen
• Augenbewegungen als Biomarker für neuropsychiatrische Erkrankungen
• Neuronale Grundlagen des Sehens anhand von EEG
Beschreibung der AG
Menschen bewegen ihre Augen häufiger als ihr Herz schlägt. In unseren Arbeiten erforschen wir deshalb den Einfluss von Augenbewegungen auf die visuelle Informationsverarbeitung. Zudem untersuchen wir die Rolle visueller, taktiler und auditorischer Reize für die Kodierung von Raum- und Bewegungsinformation. Unsere Methoden reichen von Verhaltens- und Bildgebungsstudien beim Menschen über Zellableitungen und EEG am Tiermodell bis hin zur computergestützten Modellierung. Schließlich erforschen wir in Zusammenarbeit mit dem Uniklinikum Marburg Augenbewegungen als Biomarker für neurologische und psychiatrische Erkrankungen. Die Projekte der AG Neurophysik sind durchweg drittmittelfinanziert. Prof. Bremmer, Gründungsdirektor des 2017 gegründeten "Marburg Center for Mind, Brain and Behavior", ist Sprecher des einzigen Internationalen Graduiertenkollegs an der Uni Marburg (IRTG - "The Brain in Action"). Die AG ist zudem signifikant am Sonderforschungsbereich TRR-135 „Kardinale Mechanismen der Wahrnehmung“, einer DFG-Forschergruppe und einem EU-Projekt beteiligt. Neben spannenden Themen für Abschlussarbeiten ergeben sich durch diese nationalen und internationalen Kooperationsprojekte auch vielfältige Möglichkeiten für Forschungsaufenthalte im In- und Ausland. Absolventeninnen und Absolventen der AG stehen interessante Karrierewege offen. Sie sind erfolgreich in der Wirtschaft (z.B. in der Medizintechnik, im Wissenschaftsjournalismus, in der Unternehmensberatung) oder in der Wissenschaft an Universitäten oder Forschungsinstituten tätig.Halbleiterspektroskopie - Gerhard
Forschungsthemen
• Halbleiter Nanostrukturen
• magnetische Halbleiter
• Energietransfer in kolloidalen Quantenpunkt-Konjugaten
• Typ-II Exzitonen
• Organisch-anorganische Hybride
• neuartige Laserstrukturen
Beschreibung der AG
Wir untersuchen neuartige Halbleitermaterialien mit einer Vielzahl optischer Methoden. Die Spektroskopie liefert uns dabei zusammen mit der theoretischen Beschreibung ein vollständiges Bild der zu untersuchenden komplexen Nanostrukturen. Wir verwenden vielfältige spektroskopische Methoden wie zeitaufgelöste Photolumineszenz im Zeitbereich von Nanosekunden bis hin zu Millisekunden. Die Anregungs-, Modulations- und Ramanspektroskopie sind weiter Beispiele für eingesetzte Verfahren. Die Untersuchungen finden in einem weiten Temperaturbereich bis hinunter zu 1.6 K statt. Darüber hinaus sind wir in der Lage die magneto-optischen Eigenschaften in starken Magnetfeldern von bis zu 8 Tesla zu untersuchen.Physik der solaren Energiekonversion - Goldschmidt
Forschungsthemen
• hocheffiziente Perowskit-basierte Tandemsolarzellen
• Graphit-Rückseiten Elektroden
• Photolumineszenz-basierte Messmethoden zur Charakterisierung von Perowskitsolarzellen
• Stabilitätsuntersuchungen von Perowskitsolarzellen
• Analysen von Potenzialen, Kostenstrukturen und Nachhaltigkeitsaspekten der Photovoltaik
Beschreibung der AG
Die AG Physik der Solar-Energiekonversion von Prof. Goldschmidt forscht an den grundlegenden physikalischen Prozessen der Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie durch Solarzellen. Die Erkenntnisse werden genutzt, um konzeptionell neue Solarzellenstrukturen zu entwickeln und bestehende Konzepte zu verbessern. Die Arbeiten der AG umfassen insbesondere die Herstellung, Charakterisierung und Modellierung von Perowskit-basierten Solarzellen. Perowskite sind aus mehreren Gründen für die Photovoltaik sehr attraktiv: Das hohe Absorptionsvermögen ermöglicht fast vollständige Absorption des Sonnenlichts bei geringen Schichtdicken. Die Toleranz gegenüber Kristalldefekten erlaubt die Verwendung von Prozessen, die im Vergleich zu anderen Halbleiter-Technologien einfach sind. Geringe Materialverbräuche und einfache Prozesse führen zu geringen Kosten in der Herstellung. Eine breite Anwendung von Perowskiten in der Photovoltaik beinhaltet allerdings diverse Herausforderungen: Die Stabilität muss für mehr als 25 Jahren gewährleistet sein und hohe Wirkungsgrade müssen mit Materialien und Prozessen erreicht werden, die auch bei einer Photovoltaik-Industrie im Terawatt-Maßstab ausreichend verfügbar sind und keine anderen Umweltprobleme (z.B. Toxizität) mit sich bringen. Um diese Herausforderungen zu meistern, ist ein tiefgehendes Verständnis der physikalischen Prozesse innerhalb der Perowskite und an den Grenzflächen der Solarzelle unabdingbare Voraussetzung.Oberflächenphysik - Höfer, Jakob & Güdde
Forschungsthemen
• Ladungstransfer an inneren Grenzflächen von Festkörpern
• Elektronische Struktur von Festkörpergrenzflächen
• Grenzflächen neuartiger 2D Materialien (Graphen / TMDC)
• Wechselwirkung organischer Moleküle mit Siliziumoberflächen
• Ladungsträgerdynamik in topologischen Isolatoren
• Entwicklung zeitaufgelöster, grenzflächenempfindlicher optischer Methoden
Beschreibung der AG
Unsere Arbeitsgruppe untersucht die Dynamik von elementaren Prozessen an Oberflächen und Grenzflächen. Dazu bieten unsere Labore eine Reihe von experimentellen Möglichkeiten, die zum state-of-the-art der Oberflächenphysik und der Ultrakurzzeitspektroskopie gehören: Zeitaufgelöste Photoelektronenspektroskopie, Rastertunnelmikroskopie, Laser Pump-Probe- und Molekularstrahl-Techniken. Insbesondere ermöglicht die Kombination unserer Ultrahochvakuum-Apparaturen mit der Laserspektroskopie die Untersuchung von wohldefinierten Oberflächen und Grenzflächen auf der Femtosekundenzeitskala. Die Arbeitsgruppe ist am Marburger Sonderforschungsbereich 1083 "Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen" beteiligt. Sie hat u. a. darüber vielfältige nationale und internationale Kooperationen, z.B. mit Universitäten und Forschungseinrichtungen in San Sebastián, Lund, New York, Pittsburgh, Haifa, Tokio und Osaka.Halbleiter-Photonik - Koch
Forschungsthemen
• Ultrakurzzeitspektroskopie an Halbleiternanostrukturen
• Entwicklung von Halbleiterscheibenlasern
• Terahertzsysteme und ihre Anwendungen
• Detektion von Mikroplastik
Beschreibung der AG
Die AG Halbleiterphotonik vertritt ein breites Themenspektrum. Daher ist die Arbeitsgruppe auch an zwei Standorten angesiedelt: Am Renthof (Ultrakurzzeitspektroskopie und Halbleiterscheibenlaser) und auf den Lahnbergen (Terahertz-Systemtechnik). Die Ultrakurzzeitspektroskopie befasst sich mit der Licht-Materie-Wechselwirkung in Halbleitersystemen. Mittels gepulster Laserstrahlung kann die zeitliche Dynamik von optischen und elektronischen Übergängen studiert werden. Halbleiterscheibenlaser vereinen durch die Verwendung einer externen Kavität die Vorteile von Halbleiterlasern mit denen der Festkörper- und Gaslaser und haben in den vergangenen Jahren große Aufmerksamkeit im Bereich der Laserentwicklung erfahren. Darüber hinaus entwickelt die AG Halbleiterphotonik optische Komponenten für den Terahertz-Frequenzbereich, welche unter anderem durch 3D-Druck hergestellt werden. Auch im Bereich der praktischen Anwendung von Terahertz-Systemen ist die AG aktiv. Ein neues Arbeitsgebiet stellt die Forschung an der spektroskopischen Detektion von Mikroplastik dar.Astronomiegeschichte und Beobachtende Astronomie - Schrimpf
Forschungsthemen
• Astronomiegeschichte Hessens, Verbindungen nach Chile
• Photometrische Analyse des Photoplattenarchivs von Sonneberg
• Statistische Auswertung mit modernen Data Mining Verfahren
• Messungen an variablen Sternen
• Software zur Fernsteuerung von Teleskopen
• Software zur automatischen Auswertung von Messungen
Beschreibung der AG
Die Arbeitsgruppe Astronomiegeschichte und Beobachtende Astronomie beschäftigt sich mit stellarer Astrophysik, besonders mit dem Studium variabler Sterne. Dazu analysieren wir sowohl Daten aus historischen als auch modernen Archiven ergänzt durch eigene Messdaten. Man schätzt, dass weltweit einige Millionen Beobachtungen auf Photoplatten aus dem 20. Jahrhundert existieren. Sie überdecken ein Zeitfenster von mehr als 100 Jahren und sind gut geeignet, um z. B. nach Langzeitveränderungen oder sporadischen Phänomenen zu suchen. Diese Daten stellen eine wertvolle Ergänzung zu den mehr und mehr verfügbaren Beobachtungsdaten moderner CCD-Himmelsdurchmusterungen dar. In der Astronomiegeschichte beschäftigt sich die Arbeitsgruppe mit den Ursprüngen astronomischer Forschungen in Hessen, wie z. B. der Entwicklung der ersten Sternenkataloge, der Entdeckung der Asteroiden, den Anfängen des Studiums variabler Sterne. Die Marburger Arbeitsgruppe ist Mitglied im "Rat Deutscher Sternwarten"(RDS).Quantitative Biologie - Sourjik
Forschungsthemen
• System level properties of cellular networks
• Bacterial motility, biofilms and collective swimming
• Origin and role of fluctuations in sensory protein networks
• Protein diffusion in bacterial cells
• Mathematical modelling of cellular systems
Beschreibung der AG
Our department is interested in a broad range of topics in the biophysics of microbes, using both bacteria and yeasts as model systems. Our main focus is on quantitative analysis of the spatiotemporal self-organization and real-time functioning of microbiological systems, both at the subcellular and multicellular level, combining experimental (fluorescence microscopy including FRET and super-resolution, genomics and proteomics) and theoretical approaches (mathematical analysis, modelling, simulations, bioinformatics) to elucidate properties that are common to most networks, such as the capability to function robustly in a noisy environment and to integrate multiple extra- and intracellular cues, and the process of network evolution. We are also interested in how individual proteins behave within the cell and how they self-assemble or self-organise at specificsubcellular locations. Beyond individual cells, we investigate cellular organization, signal exchange and gene regulation in multicellular microbial communities. We study the role of motility in the organization of bacterial community. We combine experiments (microscopy, including FRET, microfluidics) and simulations, statistical physics and microbiology, to understand how collective bacterial motilities emerge, and influence the cells spatial organization and their navigation in the environment. At single cell level, we study how noise, which is inherent to these small cells, influences their motility and is possibly exploited to improve the exploration of the environment.Struktur- und Technologieforschungslabor - Volz
Forschungsthemen
• Epitaktisches Wachstum von III/V-Halbleitern, auch auf Silizium
• Herstellung und Untersuchung neuartiger Halbleiterbauelemente
• Metastabile Materialien z.B. Ga(N,As,Bi), (Ga,In)(As,Bi), etc.
• Quantitative Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) von Halbleitern
• Struktur von Materialien für die Elektromobilität, Eigenschaftskorrelation
• In-situ Elektronenmikroskopie: Wachstum im TEM, Batterien in-situ im TEM
Beschreibung der AG
Unsere AG beschäftigt sich zum einen mit dem epitaktischen Wachstum (metallorganische Gasphasenepitaxie) von neuartigen Halbleitermaterialien und deren Heterostrukturen, die in der Natur nicht vorkommen (auch z.B. metastabile Materialien), und zum anderen mit der quantitativen Charakterisierung (v.a. mit Transmissionselektronenmikroskopie) dieser eigenen Schichtstrukturen aber auch von Funktionsmaterialien anderer AGs, wie zum Beispiel Fest- und Flüssigbatterien. Motiviert ist die Materialauswahl immer durch eine Anwendung, wobei wir verbesserte bzw. neuartige Eigenschaften von Lasern, Solarzellen, Transistoren oder Batterien anstreben. Bei der Strukturanalytik wollen wir darüber hinaus insbesondere die Elektronenstreuung quantitativ verstehen, um Aussagen über Zusammensetzung und Atompositionen in Festkörpern auf atomarer Skala machen zu können. Weiterhin wenden wir Elektronenmikroskopie in-situ an, um Kristalle beim Wachsen oder Batterien im Betrieb zu untersuchen.Molekulare Festkörperphysik - Witte
Forschungsthemen
• Präparation und Charakterisierung organischer Heterostrukturen
• Grundlagenstudien zur organischen Elektronik
• Rastersondenmikroskopie und Röntgenbeugung an organischen Halbleitern
• Herstellung molekularer Nanostrukturen
• Kombination funktionaler organischer Schichten mit 2D Materialien
• Untersuchung von Transport-Phänomenen z.B. in organischen Transistoren
Beschreibung der AG
Leitende und halbleitende organische Moleküle finden bereits Anwendung in Smartphones (AMOLED-Displays), (organischen) Solarzellen oder elektronischem Papier. Das allgemeine Verständnis der grundlegenden physikalischen Prozesse in solchen Systemen ist jedoch noch unzureichend. Dies gilt auch und vor allem für die Einflüsse von Grenzflächen, z. B. zu Metallen oder 2D Materialien. In unserer AG werden deshalb geeignete Modellsysteme hergestellt, auf deren Basis ein fundamentales Verständnis dieser Prozesse erlangt werden soll. Unser Fokus liegt dabei darauf, sogenannte Struktur-Eigenschafts-Relationen zu untersuchen, d. h. zu untersuchen, in welcher Weise die strukturelle Qualität und die molekularen Packungsmotive optoelektronische Eigenschaften beeinflussen. Durch die Kombination strukturanalytischer und spektroskopischer Methoden mit Untersuchungen an einfachen el. Bauteilen ist der Forschungsalltag durch Abwechslung und direkte experimentelle Rückkopplung geprägt.
Theoretische Physik
Vielteilchentheorie - Gebhard
Forschungsthemen
• Magnetismus von Übergangsmetallen, magnetische Momente in Metallen
• Optische Anregungen in \(\pi\)-konjugierten Polymeren
• Modelle und Methoden für korrelierte Elektronensysteme
Beschreibung der AG
Die Elektron-Elektron Wechselwirkung in Festkörpern definiert ein quantenmechanisches Vielteilchenproblem, das im Allgemeinen unlösbar ist. In der AG Vielteilchentheorie werden approximative Vielteilchenmethoden entwickelt und angewendet (Gutzwiller Variationsverfahren, Dichte-Matrix Renormierungsgruppe, Störungstheorie), um Modellsysteme (Hubbard Modell, Kondo Modell), magnetische Materialien und optische Anregungen in niederdimensionalen Materialien (Polymere) zu untersuchen. Erforderlich für eine erfolgreiche Forschungstätigkeit sind gründliche Kenntnisse in Vielteilchen-Quantenmechanik und in Festkörperphysik sowie Freude am Rechnen. Hilfreich sind Kenntnisse in Magnetismus, Supraleitung, Greenfunktionen und korrelierten Elektronensystemen.Komplexe Systeme - Lenz
Forschungsthemen
• Geometrical aspects of complex systems
• Development of unsupervised (i.e. hypothesis-generating) learning algorithms forhigh-dimensional complex datasets and their applications to physical, biologicaland medical problems
Beschreibung der AG
Our research interests range from purely theoretical issues to more phenomenological to-pics in soft matter, biological physics and molecular medicine. Geometrical and genomicproperties of living systems are the focus. Associated subjects are morphological transi-tions, shape fluctuations and instabilities in soft matter systems, the emergence of orderin systems far from equilibrium, signatures in high-dimensional *omic measurements of tumor samples, or geometro-mechanical properties of cells. On the more theoretical side,we study geometrical formulations for the dynamics of classical and quantum mechanical systems and develop statistical unsupervised learning methods to generate hypothesesfrom complex high-dimensional datasets, such as whole genome gene expression measu-rements for large patient cohorts.Ultraschnelle Quantendynamik - Malic
Forschungsthemen
• Mikroskopische Modellierung von atomar dünnen Quantenmaterialien
• Ultraschnelle Exziton-Dynamik
• Exzitonische Transport-Phänomene
• Optische Signaturen von Coulomb-gebundenen Quasi-Teilchen
• Moiré-Exziton-Physik in van der Waals Heterostrukturen
Beschreibung der AG
Der Fokus der AG Ultraschnelle Quantendynamik liegt auf mikroskopischer Modellierung von ultraschnellen Phänomenen in Quantenmaterialien. Basierend auf quantenmechanischen Rechnungen streben wir ein tiefes Verständnis von Vielteilchen-Wechselwirkungen an, die die Optik-, Dynamik- und Transporteigenschaften von diesen Materialien bestimmen. Wir untersuchen dabei insbesondere die Materialklasse der atomar dünnen Nanostrukturen mit Graphen und Übergangsmetall-Dichalkogeniden als prominenteste Beispiele. Wenn man diese Materialien zu Heterostrukturen stapelt, bekommt man atomar scharfe Grenzflächen mit räumlich periodischen Moiré-Potentialen. Wenn man nun die Monolagen gegeneinander verdreht, kann man diese Potentiale kontrolliert verändern und damit die fundamentalen Eigenschaften und insbesondere die optoelektronische Landschaft an der Grenzfläche tunen. Die treibende Kraft hinter unserer Forschung ist das Bestreben, die elementaren Prozesse hinter ultraschnellen Phänomenen der Quantendynamik zu identifizieren und die so gewonnenen mikroskopischen Einsichten zu nutzen, um experimentelle Beobachtungen zu erklären, bisher unentdeckte Phänomene vorherzusagen und darauf basierende neue technologische Konzepte zu entwickeln.Vielteilchennumerik - Noack
Forschungsthemen
• Matrix-Produkt Algorithmen
• Tensor-Netzwerk Algorithmen
• Quantenmagnetismus
• Quantenphasenübergänge
• Supraleitung
Beschreibung der AG
Unsere Gruppe betreibt Grundlagenforschung zur Theorie der kondensierten Materie. Von besonderem Interesse sind dabei stark gekoppelte Quantensysteme, in denen die Wechselwirkung der Elektronen vergleichbar groß zur kinetischen Energie ist und herkömmliche analytische Methoden der theoretischen Physik an ihre Grenzen stoßen. Zur Beschreibung besagter Systeme arbeiten wir mit Matrix-Produkt und Tensor-Netzwerk Algorithmen, einer Familie von numerischen Methoden, die sich historisch aus der Dichtematrix-Renormierungsgruppe entwickelt hat. Die Implementierung erfordert gute Kenntnisse der Quantenmechanik, insbesondere der Vielteilchentheorie, Programmierkenntnisse z. B. in der Sprache C++ und hat Überschneidungen mit Konzepten aus der Informatik. Mithilfe dieser Methoden lassen sich unter anderem magnetische Ordnung, Supraleitung und Möglichkeiten zu Quantencomputern erforschen.Vielteilchentheorie - Gebhard
Forschungsthemen
• Magnetismus von Übergangsmetallen, magnetische Momente in Metallen
• Optische Anregungen in \(\pi\)-konjugierten Polymeren
• Modelle und Methoden für korrelierte Elektronensysteme
Beschreibung der AG
Die Elektron-Elektron Wechselwirkung in Festkörpern definiert ein quantenmechanisches Vielteilchenproblem, das im Allgemeinen unlösbar ist. In der AG Vielteilchentheorie werden approximative Vielteilchenmethoden entwickelt und angewendet (Gutzwiller Variationsverfahren, Dichte-Matrix Renormierungsgruppe, Störungstheorie), um Modellsysteme (Hubbard Modell, Kondo Modell), magnetische Materialien und optische Anregungen in niederdimensionalen Materialien (Polymere) zu untersuchen. Erforderlich für eine erfolgreiche Forschungstätigkeit sind gründliche Kenntnisse in Vielteilchen-Quantenmechanik und in Festkörperphysik sowie Freude am Rechnen. Hilfreich sind Kenntnisse in Magnetismus, Supraleitung, Greenfunktionen und korrelierten Elektronensystemen.Theoretische Biophysik - Sourjik
Forschungsthemen
• Pattern formation and self-organisation in biology
• Stochastic spatial modelling of subcellular protein dynamics
• Inhomogeneous diffusion and directed motion
Beschreibung der AG
Our department is interested in a broad range of topics in the biophysics of microbes, using both bacteria and yeasts as model systems. Our main focus is on quantitative analysis of the spatiotemporal self-organization and real-time functioning of microbiological systems, both at the subcellular and multicellular level, combining experimental (fluorescence microscopy including FRET and super-resolution, genomics and proteomics) and theoretical approaches (mathematical analysis, modelling, simulations, bioinformatics) to elucidate properties that are common to most networks, such as the capability to function robustly in a noisy environment and to integrate multiple extra- and intracellular cues, and the process of network evolution. We are also interested in how individualproteins behave within the cell and how they self-assemble or self-organise at specific subcellular locations. Beyond individual cells, we investigate cellular organization, signal exchange and gene regulation in multicellular microbial communities. We are interested in understanding the mechanisms behind the self-organisation of proteins and DNA within cells. On the purely theoretical side, we are currently interested in how mass flow through pattern-forming reaction-diffusion systems influences pattern selection and dynamics. On the more applied side, we study how models of stochastic self-organisation can explain subcellular protein dynamics and how Bayesian inference can be used to fit and test such models against experimental data.