Ann-Sophie ist Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Marika Schleberger an der Universität Duisburg-Essen. Sie machte ihren Master of Education in Mathematik und Physik mit dem Ziel, Lehrerin zu werden. Nach ihrem Abschluss entschied sie sich jedoch für eine Forschungslaufbahn und ihre Promotion in Physik. Im Rahmen des SFB 1242 konzentriert sich ihre Forschung auf ultraschnelle Nichtgleichgewichtsdynamik in kondensierter Materie, insbesondere durch zeitaufgelöste ioneninduzierte Photoelektronenemissionsspektroskopie.

Simulationen sagen voraus, dass die Wechselwirkungs- und Relaxationsprozesse innerhalb der elektronischen und phononischen Systeme nach einem Ioneneinschlag auf Zeitskalen von Sub-Pikosekunden bis Nanosekunden ablaufen. Die experimentelle Verifizierung dieser Dynamik stellt jedoch eine echte Herausforderung dar, da die zeitliche Präzision des Ionenstoßes und die Erzeugung eines geeigneten (Sub-)Pikosekunden-Ionenpulses erforderlich sind. Im Rahmen des Projekts C05 des SFB 1242 wurde eine solche Quelle entwickelt, die die Erzeugung von Pikosekunden-Ionenimpulsen durch Femtosekunden-Photoionisation von Edelgasatomen ermöglicht.

Darauf aufbauend führt Ann-Sophie das weltweit erste Pump-Probe-Experiment mit Ionen als Pumpquelle durch. Ihre Arbeit untersucht die ioneninduzierte Nicht-Gleichgewichtsdynamik in Festkörpern und bietet beispiellose experimentelle Einblicke in diese Prozesse. Diese Forschung ist ein bahnbrechender Schritt zum Verständnis der grundlegenden ultraschnellen Dynamik, die durch Ionenstöße ausgelöst wird.

von Birte Vierjahn

Einem Team unter der Leitung von Physiker:innen der Universität Duisburg-Essen ist es erstmals gelungen, die Spintextur zuvor erzeugter Meronen präzise zu ermitteln und daraus auf die topologischen Eigenschaften dieser Strukturen zu schließen. Ihre Erkenntnisse, veröffentlicht in Advanced Photonics, könnten dazu beitragen, Informationen künftig sicherer zu übertragen und zu speichern.

Elektronen, die sich kollektiv in einem Edelmetall bewegen, werden als Plasmonen bezeichnet. Sie werden etwa in der Katalyse oder in der Sensorik genutzt. Um die wellenartige Ausbreitung von Plasmonen an Edelmetalloberflächen zeitaufgelöst zu untersuchen, werden Laserpulse von wenigen Femtosekunden Dauer eingesetzt. Eine Femtosekunde entspricht dem Millionstel Milliardstel einer Sekunde. Mit einer noch einmal 10-fach besseren Zeitauflösung lässt sich die Bewegung von Plasmonenwellen in einem Photoelektronenmikroskop mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in Raum und Zeit abbilden. Seit vielen Jahren entwickelt die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Frank-J. Meyer zu Heringdorf aus der Physik der Universität Duisburg-Essen (UDE) diese Art der zeitaufgelösten Mikroskopie. Ihre Arbeit  hat weltweit Beachtung gefunden.

Nun ist es dem UDE-Team mit Kolleg:innen der Universitäten Stuttgart und Melbourne (Australien) Einmaliges gelungen: Sie haben mit bislang unerreichter zeitlicher und räumlicher Präzision die elektrische Feldstruktur von Plasmonenwellen so genau gemessen, dass daraus die topologischen Eigenschaften abgeleitet werden können. „Die Topologie ist eine mathematische Theorie, in der eigentlich unterschiedliche Objekte anhand übergeordneter geometrischer Eigenschaften klassifiziert werden können“, so Meyer zu Heringdorf. „Das bekannteste Beispiel ist wohl die topologische Gleichheit einer Tasse mit Henkel und eines Donuts: Beide sind unterschiedliche Objekte, aber beide haben genau ein Loch.“

Die Wissenschaftler:innen haben nun die lokale Spintextur eines sogenannten Meronenpaares untersucht. Meronen sind topologisch stabile Strukturen, bei denen sich Spinvektoren in bestimmter Art und Weise anordnen. „Überträgt man die Spinvektoren auf eine Kugel (so, wie Käsespießchen auf eine Melone), und wird nur eine Kugelhälfte von Vektoren bedeckt, so entspricht die Topologie der eines Merons“, erklärt der Physiker. Ein Meronenpaar besteht aus zwei identischen Meronen. „Für unsere Experimente haben wir ultrakurze Laserpulse genutzt, um die elektrischen Felder zu messen. Die magnetischen Felder konnten wir anschließend aus den gemessenen Daten ableiten und auf dieser Grundlage das Spinmoment berechnen.“

Das Forscherteam konnte so nachweisen, dass die Topologie des Plasmons konstant ist, obwohl das elektrische wie auch das magnetische Feld mit einer Periode von 2.66 Femtosekunden schwingen und rotieren. Diese Stabilität könnte künftig helfen, Informationen sicher zu speichern oder zu übertragen, denn topologisches Licht in Glasfasern wären resistenter gegen Verluste und Störungen.

Im Bild:
Spintextur eines Meronenpaares. Gezeigt sind die gemessenen Spinvektoren auf einer Goldoberfläche. Würden die Pfeile auf eine Kugel gesteckt, so würden sie zweimal die gleiche (nördliche) Halbkugel bedecken, während die südliche Halbkugel unbedeckt bliebe.

Originalpublikationen:
Advanced Photonics: https://doi.org/10.1117/1.AP.6.6.066007

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Frank-J. Meyer zu Heringdorf, Experimentalphysik, Tel. 0203/37 9-1465, meyerzh@uni-due.de

Der Vorstand des Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE) hat Prof. Dr. Sebastian Schlücker aus der Fakultät für Chemie als neuen wissenschaftlichen Direktor und Prof. Dr. Marika Schleberger aus unserer Fakultät für Physik als stellvertretende wissenschaftliche Direktorin gewählt.  Prof. Dr. Heiko Wende, ebenfalls aus der Physik, scheidet nach sechs Jahren aus dem Amt des wissenschaftlichen Direktors aus.

CENIDE ist ein interdisziplinäres Netzwerk der Universität Duisburg-Essen aus 79 Professoren/innen und Arbeitsgruppenleiter/innen – davon alleine 24 aus der Fakultät für Physik –  das die „fächerübergreifende Zusammenarbeit fördert und hilft, die Lücke zwischen akademischer Grundlagenforschung und industrieller Umsetzung zu überbrücken“.

Planeten entstehen, indem Staub und Gestein in einer Scheibe um einen jungen Stern kollidieren und sich zu immer größeren Körpern verbinden. Diese so genannte Akkretion ist bislang nicht vollständig verstanden. Astrophysiker der UDE konnten durch Experimente in einer Forschungsrakete wesentliche Beobachtungen zu Kollisionsgeschwindigkeit und elektrischer Ladung der Partikel machen. Ihre Ergebnisse wurden soeben in Nature Astronomy* veröffentlicht.

Bis aus einem mikrometerfeinen Staubkorn ein Planet mit einem Ausmaß von 10.000 Kilometern wird, vergehen Millionen von Jahren. Alles beginnt in einer scheibenförmigen Wolke aus Gas (99 Prozent) und Staub (1 Prozent), der protoplanetaren Scheibe: Hier stoßen die Staubpartikel zusammen und bilden Agglomerate. Wolken dieser Agglomerate kollabieren schließlich zu größeren Körpern, die Planetesimale genannt werden und bereits einen Durchmesser von ein bis hundert Kilometer haben können. Durch Gravitation ziehen die Planetesimale weitere Materie an, wachsen zu Protoplaneten und später zu vollwertigen Planeten heran.

Bei den Vorgängen in der Scheibe setzen die Partikel eine Kollisionsbarriere außer Kraft. „Eigentlich ist es nämlich so, dass Staubkörner ab etwa einem Millimeter Größe gar nicht wachsen können, weil sie voneinander abprallen oder sie beim Zusammenstoß zerbrechen“; erklären die Astrophysiker Prof. Dr. Gerhard Wurm und PD Dr. Jens Teiser. „Dadurch aber, dass sie immer wieder kollidieren, laden sie sich unterschiedlich auf und ziehen sich dann gegenseitig an.“

Die Haftung durch elektrostatische Aufladung hatte ihr Team schon in vorherigen Fallturmexperimenten beobachtet. Weil dabei nur knappe neun Sekunden Messzeit in Schwerelosigkeit möglich sind, konnten sie die finale Größe und die Stabilität der wachsenden Körper nicht untersuchen. Ganz anders in den Experimenten der aktuellen Studie: Sie fanden auf einer Forschungsrakete der Europäischen Weltraumorganisation ESA statt. „Während die Rakete auf 270 Kilometer Höhe aufstieg, bot sie uns sechs Minuten Schwerelosigkeit, unsere Experimente vom Boden aus zu steuern und zu verfolgen“, so Teiser.

Das UDE-Team konnte dadurch das Wachstum von kompakten Agglomeraten von etwa drei Zentimetern Größe direkt beobachten und genau messen, mit welcher Geschwindigkeit einzelne Partikel höchstens aufprallen dürfen, um nichts zu zerstören. „Die Agglomerate sind so stabil, dass sie den Beschuss von einzelnen Partikeln mit bis zu 0,5 Meter pro Sekunde aushalten. Alles darüber hinaus erodiert“, betont Astrophysiker Wurm. „Zusätzlich haben wir numerische Simulationen durchgeführt, die zeigen, dass es durch die Kollisionen tatsächlich zu einer starken elektrostatischen Aufladung und Anziehung kommt.“

„Derart konkrete Geschwindigkeiten für Erosion zu finden, hat uns überrascht“, ergänzt Teiser. „vor allem da sie nahe an jenen Werten liegen, die in früheren Simulationen für die Fragmentation verwendet wurden, also für das Zerbrechen von Partikeln oder Objekten.“ Das heißt, dass die physikalischen Bedingungen ähnlich sind, unter denen Material in der scheibenförmigen Wolke um einen jungen Stern abgetragen oder zerbrochen wird.

Die Ergebnisse des UDE-Teams fließen in physikalische Modelle zu protoplanetaren Scheiben und zum Partikelwachstum ein und helfen somit, die Details der Planetenbildung zu verstehen.

Die Forschungen wurden vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klima gefördert.

* Publikation: The growth of super-large pre-planetary pebbles to an impact erosion limit.
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02470-x

Im Bild:
Geladene Partikel haben sich zu einem Agglomerat verbunden.

Weitere Information:
Prof. Dr. Gerhard Wurm, Astrophysik, Tel. 0203/37 9-1641, gerhard.wurm@uni-due.de
PD Dr. Jens Teiser, Astrophysik, Tel. 0203/37 9-2959, jens.teiser@uni-due.de

Die direkte Verbindung zwischen zwei Orten per Luftlinie ist in der Regel kürzer als der Weg, den man per Auto zurücklegen muss. Zwei Physik-Arbeitsgruppen der Universität Duisburg-Essen haben nun herausgefunden: Die Entfernung zwischen zwei Orten in einem Autobahn-Netzwerk ist typischerweise 1,3-mal länger als deren Verbindung per Luftlinie. Ihre tatsächlich neue Erkenntnis basiert auf einer umfangreichen Analyse von Daten aus Europa, Asien und Nordamerika und wurde veröffentlicht im Fachmagazin npj Complexity.

Durchgeführt wurde die Studie von den Arbeitsgruppen Statistische Physik komplexer Systeme um Prof. Thomas Guhr sowie Physik von Transport und Verkehr unter der Leitung von Prof. Michael Schreckenberg. Sie ermittelten die Entfernung zwischen etwa 2.000 Orten innerhalb von Frankreich, Deutschland, Spanien, China und den USA. Dazu verwendeten sie frei nutzbare Geodaten und verglichen die Streckenlänge über das Autobahnnetz mit der jeweiligen geodätischen Entfernung – der direkten Verbindung zwischen zwei Orten, wie ein Vogel sie fliegen könnte. Sie fanden heraus, dass das Verhältnis der beiden Strecken recht universell ist: Die Strecke per Auto ist in der Regel 1,3 (± 0,1) mal länger als die Luftlinie.

„Dieses stabile Verhältnis über Länder und Kontinente hinweg ist das Ergebnis zweier gesellschaftlicher Bedürfnisse, die miteinander konkurrieren“, erklären die Leiter der Studie. „Zum einen möchten wir schnell und effizient an unser Ziel gelangen, zum anderen möchten wir Kosten und Umweltauswirkungen so gering wie möglich halten.“

Aus ihren Erkenntnissen wurde ein neues Modell für die Planung von Autobahn-Netzwerken abgeleitet, das sie als "teilweise zufälliges Autobahn-Netzwerk" bezeichnen. Es basiert auf der Idee, bestehende Verbindungen effizient zu nutzen, indem benachbarte Regionen schrittweise verbunden werden. Der zufällige Teil des Modells besteht darin, gewisse Verbindungen zwischen Städten und Orten im Autobahn-Netzwerk nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit herzustellen. Definierte Regeln stellen dabei logische Verbindungen und eine gute Vernetzung sicher.

Das Modell könnte künftig die Effizienz von Verkehrswegen verbessern und gleichzeitig deren Umweltauswirkungen verringern.

Originalveröffentlichung: https://doi.org/10.1038/s44260-024-00023-x

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Thomas Guhr, Statistische Physik komplexer Systeme, Tel. 0203/379-4730, thomas.guhr@uni-due.de
Prof. Dr. Michael Schreckenberg, Physik von Transport und Verkehr, Tel. 0203/379-3552, michael.schreckenberg@uni-due.de

Redaktion: Birte Vierjahn, Tel. 0203/37 9-2427, birte.vierjahn@uni-due.de

In Kürze steht für alle, die in diesem Jahr die Schule abschließen, eine wichtige Entscheidung an: die Entscheidung für oder gegen ein Studium und die Wahl des Studienganges.

Die Fakultät für Physik der Universität Duisburg-Essen steht hierbei gerne unterstützend und mit Informationen und Hilfestellungen zur Seite. Wir präsentieren per Videokonferenz unsere Studiengänge Energy Science, Physik und Physik Lehramt an folgenden Terminen:

• Samstag, 01.02.2025, 13-14 Uhr
• Dienstag, 18.03.2025, 17-18 Uhr
• Montag, 24.03.2025, 17-18 Uhr

Anschließend kannst Du in einer lockeren Fragerunde Deine Fragen hierzu stellen. Ansprechpartner:innen sind dabei mindestens zwei Studierende aus unterschiedlichen Studiengängen und eine hauptamtliche Lehrkraft. Die Studierenden sind Teil unseres Buddy Systems. Innerhalb des Buddy Systems bieten wir eine Rundumberatung für zukünftige Studierende vor Beginn des Studiums und während der ersten beiden Semester. Weitere Informationen zum Buddy System können der Homepage des Buddy Systems und dem Flyer des Buddy Systems entnommen werden.

Wenn Du dieses Angebot (buddy@school digital 2025) nutzen möchtest, bitten wir Dich um eine einfache und kurze Anmeldung (spätestens eine Woche vor dem Wunschtermin) via Online-Formular unter https://udue.de/bas25 . Das Angebot steht natürlich auch denjenigen zur Verfügung, die erst in den kommenden Jahren die Schule abschließen werden, sich aber schon heute informieren möchten.

Wir freuen uns auf Dich!