Institut für Theoretische Physik

(*Dieser Text wurde 1997 von den Mitgliedern Instituts als Beitrag zur Fakultätsbroschüre erstellt.)

Kernstück der Forschung: Physik der kondensierten Materie

Forschungsprofil

Das Institut ist mit sechzehn Lehrkräften das größte des Fachs. Die Forschung umfaßt ein breites Spektrum zwischen Grundlagenforschung zur Relativitäts- und zur Quantentheorie und anwendungsnahen Untersuchungen, etwa zur Minimierung des Widerstands von Supraleitern; im Zentrum steht die Physik der kondensierten Materie. Entsprechend seiner Größe bietet das Institut neben den Kursvorlesungen in Theoretischer Physik für Diplomphysiker, Mathematiker, Geowissenschaftler und Lehramtskandidaten eine Vielzahl von Spezialvorlesungen an, in den Gebieten Quantenfeldtheorien, Festkörpertheorie, Statistische Physik, Computational Physics und Relativitätstheorie.

Forschungsschwerpunkte

Am einem Ende des Forschungsspektrums stehen Fragen zur Einsteinschen Gravitationstheorie und vor allem deren eichtheoretische Aspekte, die auf nicht Riemannsche Raumzeit-Geometrien führen. Diese Forschungen profitieren besonders von modernen Computer-Algebra-Systemen und Computer-Visualisierung. Am anderen Ende des Spektrums kann man die Untersuchung eindimensionaler stochastischer Modelle ansiedeln, die auf Evolution, Transport und Verkehr Anwendung finden. Hier kommt der Computer vor allem für aufwendige Simulationen, z. B. zum Straßenverkehr, zum Einsatz.

Zwischen Gravitationstheorie und Verkehrsmodellen - und im Schwerpunkt der Forschungsinteressen des Instituts - liegt der große Bereich moderner Festkörpertheorie.

Wie ein roter Faden zieht sich der Einfluß von Unordnung auf ansonsten regelmäßige Strukturen durch etliche verschieden Themenschwerpunkte. In Form von Störstellen führt sie bei tiefen Temperaturen und starken Magnetfeldern zum 1980 entdeckten Quanten-Hall-Effekt, der in ungeordneten zweidimensionalen Halbleiterstrukturen auftritt und die Messung einer Kombination von Naturkonstanten mit der Genauigkeit von einem millionstel Prozent gestattet. Im Ladungstranport in ungeordneten Nanostrukturen sind Quantenfluktuationen, nicht zuletzt wegen möglicher Anwendungen auf künftige Nanometer-Computertechnologien, von aktuellem Interesse. Ein mathematischer Teilaspekt der Arbeiten zu diesem Gebiet ist die supersymmetrische Pfadintegration. In einer ganzen Klasse von Materialien, z.B. supraleitenden oder magnetischen Systemen, wechselwirken Verunreinigungen mit topologischen Defekten des Materials. Dies hat dramatische Auswirkungen auf statische und Transportphänomene und ist von großem technologischen Interesse.

Auf Hochtemperatur-Supraleiter bezieht sich ein weiteres Arbeitsgebiet: Die Theorie stark korrelierter Elektronensysteme. Aktuelle Substanzklassen, die hier untersucht werden, sind schwere Fermionensysteme und Übergangsmetalle mit ihren Oxiden. Für niedrigdimensionale Modelle, mit Anwendung z. B. auf eindimensionale Fermionensysteme, lassen sich unter Umständen exakten Lösungen angeben. Am Institut wurde in diesem Zusammenhang das Konzept des "Optimum-Grundzustandes" entwickelt.

Wechselwirkende Quantensysteme, wie Bosekondensation, suprafluides Helium, Quantenspingitter und Eichmodelle zur Beschreibung magnetischer Kristalle, bilden einen weiteren Schwerpunkt.

Monte-Carlo-Simulationen auf Supercomputern (z.B. Cray T3E in Jülich) schließlich dienen der Analyse von magnetischen und geometrischen Phasenübergängen in sehr großen Modellen.

Publikationen

Die Forschungsarbeit des Instituts wird durch den Sonderforschungsbereich 341 "Niedrigdimensionale und mesoskopische metallische Systeme" intensiv gefördert. Daneben existieren die Graduiertenkollegs "Scientific Computing" und "Klassifizierung von Phasenumwandlungen kristalliner Stoffe", in Zusammenarbeit mit Informatikern, Mathematikern, Chemikern und Kristallographen.

Zukünftige Neuberufungen sollen das Profil in Richtung Materialwissenschaften und Astrophysik ausweiten, um bestehende experimentelle Arbeitsgruppen zu unterstützen.

Die Absolventen des Instituts finden ihren künftigen Arbeitsplatz im Forschungsbereich, in Software- und Unternehmensberaterfirmen, bei Banken ("Risk-Management") und in der Industrie.