Alles fluktuiert

Der Sonderforschungsbereich „Fluktuationen und Nichtlinearitäten in klassischer und Quantenmaterie jenseits des Gleichgewichts“ beschäftigt sich seit gut einem Jahr mit einer grundlegenden physikalischen Eigenschaft der uns umgebenden Welt – Rauschen.

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Ein Sonderforschungsbereich bietet Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ganz besondere Möglichkeiten. Prof. Dr. Wolfgang Belzig beschreibt es so: „Entscheidend ist das kollaborative Moment. Wir tauschen uns intensiv zu wissenschaftlichen Ideen und Forschungsergebnissen aus und ergänzen uns aus verschiedenen Bereichen und Disziplinen. Als Gruppe erreichen wir mehr, als wenn jede und jeder für sich alleine forschte.“ Der Fachbereich Physik ist, was die Anzahl der Sonderforschungsbereiche (SFB) betrifft, an der Universität Konstanz zumindest rekordverdächtig. Mit dem SFB 1432 hat er im November 2020 bereits den vierten SFB von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) eingeworben.

Dass der aktuelle Sonderforschungsbereich in allen beantragten Projekten und nahezu vollem Umfang bewilligt wurde, ist etwas Besonderes. Anfang dieses Jahres wurde sogar noch ein ergänzendes Forschungsprojekt eines Nachwuchswissenschaftlers bewilligt, der unlängst nach Konstanz gekommen ist. Insgesamt sind mindestens vier Jahre konzentrierte Forschung ermöglicht worden, die es erlauben, tief in die Materie vorzudringen. Zweimal je vier Jahre Verlängerung stehen obendrein in Aussicht. Wolfgang Belzig, Sprecher des SFB 1432, sagt denn auch: „Wir wissen im Fachbereich, wie wichtig es ist, solch einen Sonderforschungsbereich zu haben.“

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„Als Gruppe erreichen wir mehr, als wenn jede und jeder für sich alleine forschte.“

Prof. Dr. Wolfgang Belzig. Er ist Sprecher des SFB 1432. Er leitet die Arbeitsgruppe Theorie des Quantentransports.

Fluktuationen spielen in jeder einzelnen Messung eine Rolle

Das Thema ist aus der bestehenden Forschung am Fachbereich Physik entstanden. Das physikalische Phänomen der Fluktuationen spielt in allen Bereichen der Naturwissenschaften, in jeder einzelnen Messung, eine Rolle. Zunächst mag es störend erscheinen, wenn eine Messsignal durch Fluktuationen „verrauscht“ ist. Aber das wäre es nicht, wenn darin nicht selbst Physik steckte. Der SFB 1432 stellt die Physik der Fluktuationen in den Mittelpunkt und stößt dabei eine neue Dimension auf: „Wir schauen uns fluktuierende Eigenschaften in Systemen an, die nicht im Gleichgewicht sind, sondern sich dynamisch entwickeln“, fasst Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer, stellvertretender SFB-Sprecher, zusammen.

„Fluktuationen stellen eine ganz grundlegende Eigenschaft der uns umgebenden Welt dar“, sagt der Experimentalphysiker. Die makroskopische Welt ist voll davon: Hören wir beispielsweise auf das Geräusch eines Ventilators, nehmen wir ein Rauschen wahr. Es wird von den Fluktuationen des Luftstroms erzeugt. Das Rauschen wird zumeist als störend empfunden. Für die Funktion des Ventilators sind solche dynamischen Veränderungen aber nicht relevant. In der mikroskopischen Quantenwelt ist das etwas ganz Anderes: Fluktuationen machen ihr Wesen aus. In der Quantenphysik lässt sich für ein individuelles Ereignis nicht vorhersagen, ob es stattfindet oder nicht – nur mit welcher Wahrscheinlichkeit es eintritt. Sie ist es, die im Mittel über sehr viele Ereignisse gemessen wird. Und sie ist es, die makroskopisch wahrgenommen wird. Die klassische makroskopische Welt ist sozusagen der Mittelwert der quantenphysikalischen mikroskopisch kleinen Fluktuationen.

Fluktuationen quantitativ zu erfassen und zu analysieren, ist jedoch viel aufwändiger, als Mittelwerte zu messen. Das gleiche gilt für die theoretischen und mathematischen Modelle. „Wir brauchen in der Theorie neue Methoden, um die Fluktuationen außerhalb des Gleichgewichts zu beschreiben“, sagt Wolfgang Belzig.

Doktoranden sind eigenverantwortlich einbezogen

Einen entscheidenden Part in der wissenschaftlichen Arbeit spielen die vom SFB geförderten DoktorandInnen. Die Promovierenden sind mit ihren Arbeiten eigenverantwortlich in die wissenschaftlichen Projekte einbezogen. Wolfgang Belzig: „Wir haben spannende Forschungsfragen und bieten damit eine gute Plattform für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die ihre Karriere in der Forschung beginnen oder, wie die allermeisten, gute Jobs in der Industrie bekommen werden.“

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„Die Doktorandinnen und Doktoranden sind besonders wertvoll für den SFB. Mit ihrer Arbeit setzen sie unsere Forschungsideen in die Tat um.“

Prof. Dr. Martina Müller. Sie ist Sprecherin der Graduiertenschule Integrated Research Training Group Fluctuations and Nonlinearities (IRTG FaN) des SFB 1432. Sie leitet die Arbeitsgruppe Physik komplexer Materialien.

 Die Experimentalphysikerin ist darüber hinaus Sprecherin der im Sonderforschungsbereich eingegliederten Graduiertenschule. „Es ist eine ausnehmend schöne Aufgabe, sich um ihre Ausbildung zu kümmern“, sagt Müller und betont, wie wichtig ein umfassend förderndes Umfeld ist.

Die Graduiertenschule steht auf drei Säulen: Da ist zum einen die wissenschaftliche Ausbildung, die wissenschaftliches Denken, Diskutieren und Arbeiten vermittelt. Dann werden Soft Skills wie Präsentieren, wissenschaftliches Schreiben bzw. das Darstellen von Wissenschaft auf verschiedenen Kanälen trainiert. Schließlich gehört auch die Persönlichkeitsbildung der jungen Forschenden zum Portfolio der Graduiertenschule. Alfred Leitenstorfer: „Eine gereifte Persönlichkeit im Sinne dieser von der Graduiertenschule geförderten Aspekte ist das Beste, das wir der Gesellschaft zurückgeben können.“ Die Promovierenden lernen, einander mit Fach- und Methodenwissen zu unterstützen. Sie bekommen die finanzielle Möglichkeit, eigene Forschungsideen auszuprobieren. Sie werden animiert, inhaltliche und organisatorische Verantwortung für wissenschaftliche Workshops und Mini-Symposien zu übernehmen. Und sie werden unterstützt, mit allen Höhen und Tiefen der Promotionszeit umzugehen. „Wenn man eine Doktorarbeit anfängt, ist man jemand anderes als am Ende, wenn man seine Urkunde erhält“, sagt Martina Müller.  

„Verrückte Ideen“ der Grundlagenforschung können Folgen haben

Dass die Forschungsergebnisse des Sonderforschungsbereichs unmittelbar in Industrieanwendungen fließen, können und wollen die drei Forschenden nicht in Aussicht stellen. Viel wichtiger ist ihnen, dass Einrichtungen wie die DFG Vertrauen in die Grundlagenforschung haben und bewahren. Sie sehen es so: Die Vergangenheit hat vielfach gezeigt, dass vor allem die freie Grundlagenforschung interessante Effekte entdeckt und Erkenntnisse hervorgebracht hat, die weit über das ursprüngliche Forschungsfeld Bewegung in die Wissenschaft gebracht haben. Und nicht nur das: Gerade Entwicklungen in der aktuellen Quantentechnologie belegen, dass „verrückte Ideen“ der Grundlagenforschung großen Fortschritt auf dem Gebiet der Anwendung initiieren können.

So ist es beispielsweise möglich, zwei Nadeln herzustellen, deren Spitzen so spitz zulaufen, dass ihre Enden nur noch aus einem einzigen Atom bestehen und noch dazu nur etwa ein Atom weit voneinander entfernt sind. Im Gleichgewichtszustand passiert nichts. Legt man aber eine elektrische Spannung an die Nadeln an, bringt man sie damit aus dem Gleichgewicht. Dann wird es möglich, dass Elektronen von der einen Spitze in die andere übergehen, aber es bleibt dem Zufall überlassen, wann solche Übergänge stattfinden.

Um die fluktuierende Quantennatur dieses Prozesses zu untersuchen, wird die Spannung auf einen ultrakurzen Zeitraum beschränkt – das Billiardstel einer Sekunde. So kurze Spannungsimpulse lassen sich nur noch auf optischem Weg applizieren. In der Arbeitsgruppe von Alfred Leitenstorfer ist es möglich, Lichtimpulse zu formen, die nur noch aus einer einzigen Lichtschwingung bestehen. Damit lassen sich elementare Quantenprozesse anregen. „Würden wir nur den mittleren Strom messen, wüssten wir nicht, ob ein Elektron transportiert wurde oder manchmal keines, manchmal zwei usw.“, verdeutlicht Alfred Leitenstorfer.

Abgleich zwischen Experimentalphysik und theoretischer Physik

Die Zusammenarbeit zwischen Experimentalphysik und theoretischer Physik bedeutet im wissenschaftlichen Alltag einen ständigen Abgleich beider Bereiche. Gerade ein kollaborativer Forschungsverbund leistet das in besonderer Weise. Vor wenigen Jahren sagte die Arbeitsgruppe von Wolfgang Belzig das Phänomen der sogenannten gequetschten Magnonen voraus. Magnonen sind die elementaren Quantenteilchen, die Materialien ihre magnetische Eigenschaft verleihen. Sie zu quetschen bedeutet, die quantenmechanischen Fluktuationen einer ihrer Eigenschaften zu minimieren, um diese Eigenschaft besonders genau bestimmen zu können.

Allerdings wird dabei eine andere Eigenschaft umso weniger genau bestimmbar – eine Manifestation des Heisenbergschen Unschärfeprinzips. Anschaulich ist das wie bei einem Gummiball, den man in einer Richtung zusammendrückt und der dabei in der anderen auseinander geht.

Im Rahmen des SFB sollen gequetschte Magnonen nun experimentell erzeugt und nachgewiesen werden. Wolfgang Belzig verspricht sich davon neue Erkenntnisse, die auch wiederum eine Anpassung der Theorie erforderlich machen: „Wir entwickeln mathematische Methoden weiter, um komplexe reale Systeme zu beschreiben, also mechanische, elektro-optische oder magnetische.“

Der selbstverständliche Austausch zwischen Theorie und Experiment wird in der Graduiertenschule zur wissenschaftlichen Kultur erhoben. „Diejenigen, die die Graduiertenschule durchlaufen haben, haben gelernt, miteinander zu sprechen. Sie hören Vorträge mit Ergebnissen anderer Gruppen innerhalb des SFB, lernen sich und andere zu hinterfragen und bekommen dadurch das Bewusstsein, dass es immer zwei Seiten der Medaille gibt“, sagt Martina Müller.

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„Eine gereifte Persönlichkeit im Sinne dieser von der Graduiertenschule geförderten Aspekte ist das Beste, das wir der Gesellschaft zurückgeben können.“

Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer. Er ist ist stellvertretender Sprecher des SFB 1432. Er leitet die Arbeitsgruppe Ultrakurzzeitphysik und Photonik.

Als Team zu guten Forschungsleistungen

Die Graduiertenschule hilft den Doktoranden, auf eigenen Beinen zu stehen. Sie werden in den wissenschaftlichen Alltag einbezogen, tragen in Kolloquien vor, sind Teil von Diskussionsgruppen und tauschen sich mit erfahrenen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus. Aber auch untereinander. Das neu geschaffene „Pizza-Seminar“ lief zu Lockdown-Zeiten auch virtuell gut an, aber: „Im echten Leben ist es mittlerweile ein Highlight geworden.“

Eine besonders wichtige Rolle für das Miteinander der Promovierenden spielte ein Doktoranden-Retreat. Neben inhaltlichen Überlegungen, wie die Mitglieder der Graduiertenschule ihr jeweiliges Projekt in den SFB einbringen können, standen auch Fragen an wie: Wo kann ich Hilfe gebrauchen und wo anderen geben? Martina Müller: „Am Ende waren alle begeistert, weil wir fachliche Inhalte mit Teambuilding-Maßnahmen verknüpft haben. Das ist die Grundlage dafür, dass der SFB auch auf dieser Alltagsebene so gut funktioniert, wie wir uns das vorgenommen haben. Und dass es zu guten Forschungsleistungen kommen kann.“

Personen v.l.n.r. auf dem Headerbild: Pia Maria Düring, Prof. Dr. Martina Müller, Dr. Seema, Paul Rosenberger
 

Dr. Maria Schorpp und Alexander Heinrich

Von Dr. Maria Schorpp und Alexander Heinrich - 16.05.2022