Physikalische Kolloquien im Sommersemester 2019

Dr. Matthias Hoeft
Thüringer Landessternwarte Tautenburg

Habilitationsvorstellung

Galaxienhaufen und die Entwicklung kosmischer Magnetfelder
Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Objekte im Universum. Die enormen Materieansammlungen entstehen durch kontinuierlichen Einfall von dunkler Materie, Gas und Galaxien sowie durch Verschmelzen von Galaxienhaufen. Dies führt zu Stoßwellen und Turbulenz im Plasma zwischen den Galaxien, dem sogenannten Intracluster-Medium (ICM), und dadurch werden Elektronen auf relativistische Energien beschleunigt. In vielen gerade verschmelzenden Galaxienhaufen kann großskalige, diffuse Radioemission nachgewiesen werden. Dabei handelt es sich, wie man durch die spektralen Eigenschaften schließen kann, um Synchrotronstrahlung. Dies zeigt, dass das ICM erheblich magnetisiert ist. Mit modernen Radioteleskopen, wie dem Low Frequency Array (LOFAR), können wir diese Radioemission mit viel größer Empfindlichkeit und besserer Auflösung studieren als zuvor. Die neuen Beobachtungen geben auch Aufschluss über die Struktur der Magnetfelder in Galaxienhaufen und erlauben Rückschlüsse auf die Entwicklung von Magnetfeldern im Universum. In dem Vortrag werde ich einen Überblick geben, wie LOFAR unsere Wissen über diffuse Radioemission in Galaxienhaufen revolutioniert, ich werde zeigen, welche Schlussfolgerungen sich aus dem Vergleich mit kosmologischen Simulationen ziehen lassen und ich werde die Struktur der Magnetfelder in Galaxienhaufen an einem spektakulären Beispiel diskutieren.

Prof. Dr. Jörg Behler
Theoretische Chemie, Georg-August-Universität Göttingen

High-Dimensional Neural Network Potentials for Complex Systems

A lot of progress has been made in recent years in the development of atomistic potentials employing machine learning (ML) techniques. In contrast to most conventional potentials, which are based on physical approximations, ML potentials rely on simple but very flexible mathematical expressions without a direct physical meaning with the aim to reproduce a set of reference electronic structure data as accurately as possible. Due to this bias-free construction they are applicable to a wide range of systems without changes in their functional form, and a very high accuracy close to the underlying first-principles data can be obtained. Neural network potentials (NNPs), which have first been proposed about two decades ago, are an important class of ML potentials. While the first NNPs have been restricted to small molecules with only a few degrees of freedom, they are now applicable to high-dimensional systems containing thousands of atoms, which enables addressing a variety of problems in chemistry, physics and materials science. In this talk the underlying concepts of high-dimensional NNPs are presented with a special focus on constructing NNPs for condensed systems. Applications to various types of systems, from solids via liquid water to solid-liquid interfaces are presented.

Prof. Dr. Helmuth Albrecht
TU Bergakademie Freiberg

Die Anfänge der Laserforschung und Lasertechnik in der DDR in den 60er Jahren

Der Autor untersucht die frühe deutsche Laserforschung und Lasertechnik im Systemvergleich zwischen West und Ost, Kapitalismus und Zentralwirtschaft, Demokratie und Diktatur im Spannungsfeld von naturwissenschaftlicher und technischer Entwicklung, von Politik und Wirtschaft, von
Wissenschaftsorganisation und Militärforschung in einem Zeitraum, der seit dem Mauerbau zu den Höhepunkten des Kalten Krieges zählt.

Es wird der 2. Band der Reihe "Jenaer Beiträge zur Geschichte der Physik"Externer Link vorgestellt, der mit Unterstützung des Alumnivereins der Fakultät herausgegeben wurde. 

Das Buch kann im Anschluss käuflich erworben werden.

Habilitationsvorstellung

Dr. Izabele Firkowska-Boden
Otto-Schott-Institut für Materialforschung

Funktionelle Grenzflächen an Materialien für die Mikroelektronik und biomedizinische Anwendungen

Bei der Entwicklung von modernen mikroelektronischen Geräten und Medizinprodukten sind die Verbesserung der Zuverlässigkeit und die Verlängerung der Lebensdauer wichtige Schlüsselaspekte. In beiden Bereichen wird diese Entwicklung von in den Systemen vorhandenen Grenzflächen erschwert, genauer gesagt von der unzureichenden Kontrolle der Prozesse, die an diesen Grenzflächen stattfinden.

Im ersten Teil meines Vortrags werde ich die Problematik thermo-mechanischer Spannungen an Grenzflächen in mikroelektronischen Geräten vorstellen. Hierbei ist die Grenzfläche zwischen Silizium und Metallen (wie z.B. Kupfer) von Zentraler Bedeutung, vor allem beim Wärme-Management von Hochleistungselektronik. Ich werde demonstrieren, wie man thermisch-mechanische Spannung an dieser Grenzfläche reduzieren kann, indem man Metall-Matrix-Komposite mit richtungsabhängigen thermischen Eigenschaften designt. Dabei stehen die Richtung hoher thermischer Leitfähigkeit (500 W m^-1 K^-1) und geringer thermischer Ausdehnung (2 ppm K^-1) senkrecht zueinander. Derartige Komposit-Materialien werden realisiert, indem man thermisch anisotrope Graphit-Partikel innerhalb der Kupfer-Matrix ausrichtet. Inwieweit sich durch die Verwendung dieser speziellen Komposite technologische Vorteile ergeben, werde ich mittels Mikro-Raman-Messungen der Gitterschwingungen in Silizium im Vergleich mit herkömmlichen Metallen demonstrieren.

Im zweiten Teil werde ich Bio-Grenzflächen und die dortigen Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen und Oberflächen von Medizinprodukten (z.B. Implantate) vorstellen. Unter anderem werde ich zeigen, dass definierte und gezielte Modifikationen der Oberflächentopographie im Nano-Bereich die Orientierung und Konformation von adsorbiertem Plasmaproteinen wie Fibrinogen ermöglicht. Dies beeinflusst schließlich die Thrombogenität und die antimikrobielle Aktivität des Materials. Mit Hilfe von MAPT (mapping using accumulated probe trajectories) wird das topographieabhängige, dynamische Proteinverhalten, wie z.B. Residenzzeit und Diffusionsrichtung, demonstriert.

Prof. Dr. Rainer Kaufmann,
Centre for Structural Systems Biology
Department of Physics
University of Hamburg

Correlative Super-Resolution Fluorescence and Electron Cryo-Microscopy

Electron microscopy (EM) is particularly powerful for imaging biological structures at highest resolution, but direct identification of specific proteins and structures in the crowded cellular environment can be extremely challenging. On the contrary, fluorescence microscopy (FM) is ideally suited for localizing particular proteins in cellular samples, but lacks resolution power. Correlative light and electron microscopy is combining both imaging modalities in the same sample in a highly complementary way. Super-resolution FM methods present a true game changer for the field of correlative microscopy. They allow bridging the big resolution gap between conventional FM and EM. However, resolution improvement is only one side of the story. Equally important is structural preservation of the sample. On the EM side, vitrification (fast-freezing) of the sample has evolved into a routine method and allows cryo-EM to achieve Angstrom resolution. On the contrary, super-resolution FM under cryo-conditions is still at a very early and experimental stage. The key for super-resolution imaging in general is photo-switching of the fluorophores, but this is only poorly studied and understood under cryo-conditions. One of our major aims is to gain a deeper insight into the photo-physical mechanisms in different molecules at a temperature range suitable for vitrified biological samples. Furthermore, the setup for super-resolution cryo-FM presents various optical and mechanical challenges. Nevertheless, the combination of super-resolution cryo-FM and cryo-EM has great potential to open up a wide range of new application possibilities in structural and cellular biology.