Sofja Kovalevskaja-Preisträger 2015

Rikkert Frederix

Elementarteilchenphysik

Das große Teilchenpuzzle
Was hält die Welt im Innersten zusammen? Diese Frage leitet die Elementarteilchenphysik an, die sich mit den kleinsten, nicht weiter zerlegbaren Grundbausteinen unserer Materie befasst. Die Suche nach neuen Teilchen wird dabei häufig mit der Suche nach der Nadel im Heuhaufen verglichen: Bei den Experimenten am weltgrößten Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) im Europäischen Teilchenphysikzentrum CERN etwa werden Milliarden von Teilchenkollisionen beobachtet, bei denen wiederum neue Teilchen entstehen. Um diese Versuche auszuwerten, braucht es hochpräzise theoretische Berechnungen und Simulationen, wie sie der Elementarteilchenphysiker Rikkert Frederix entwickelt. Zu seinen Spezialgebieten zählen Berechnungen von komplexen Streuprozessen, zu denen es bei den Kollisionen in Teilchenbeschleunigern kommt. Frederix widmet sich dabei insbesondere der Automatisierung solcher Berechnungen. Von ihm mitentwickelte Verfahren und Computercodes werden heute bereits als Standardwerkzeuge von Teilchenphysikern weltweit genutzt – unter anderem bei der Analyse von Daten des LHC am CERN.

Gastinstitut: Technische Universität München
Gastgeber: Prof. Dr. Martin Beneke

Mikhail Kudryashev

Biophysik/Neurobiologie

Untersuchungen im Nanomaßstab
Die Kryo-Elektronenmikroskopie ermöglicht in der Biophysik Untersuchungen mit bislang ungeahnter Genauigkeit: Organismen werden hierbei schockgefrostet, wodurch ihr ursprünglicher Zustand erhalten bleibt und in einer Auflösung von wenigen Nanometern abgebildet werden kann. Der Biophysiker Mikhail Kudryashev gilt als einer der führenden Spezialisten für diese Verfahren. So gelang es ihm etwa, erstmals die räumliche Struktur der sogenannten bakteriellen Injektionsnadeln des Magen-Darm-Erregers Yersinia enterocolitica zu entschlüsseln. Hierbei bilden Proteine eine Art winzige Nadel im Nanomaßstab, mit der die Bakterien Zellen infizieren. Kudryashevs Arbeiten zeigen, dass die Nadeln von Yersinia enterocolitica unterschiedlich lang und dehnbar sind, wodurch sich der Erreger vermutlich den jeweiligen Umweltbedingungen anpasst und sein Infektionspotenzial aufrechterhält. In Frankfurt wird sich Mikhail Kudryashev daneben verstärkt mit Struktur und Funktion von Glutamat-NMDA-Rezeptoren befassen. Als Empfänger von Botenstoffen übernehmen sie bei der Kommunikation der Nervenzellen im Gehirn eine zentrale Rolle und werden mit Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson in Verbindung gebracht. Kudryashev wird mithilfe neu entwickelter Methoden der Kryo-Elektronenmikroskopie NMDA-Rezeptoren untersuchen, um ihre strukturellen Details in höchster Genauigkeit zu entschlüsseln.

Gastinstitut: Max-Planck-Institut für Biophysik, Frankfurt am Main
Gastgeber: Prof. Dr. Werner Kühlbrandt

Karin Lind

Astronomie

Sternenlicht von den Anfängen des Universums
Beobachtungsinstrumente wie Teleskope oder Spektrografen liefern immer neue und immer bessere Daten über unser Universum. Um diese Daten auszuwerten und zu entschlüsseln, braucht die Astronomie zugleich adäquate theoretische Modelle. Die Astronomin Karin Lind entwickelt solche Modelle. Sie ist auf neue Techniken zur Spektralanalyse von Oberflächen besonders alter Sterne spezialisiert und konnte beispielsweise das so genannte Lithium-Problem lösen, das die Astronomie jahrzehntelang beschäftigt hat: Die gemessene Häufigkeit von leichteren Lithiumisotopen in alten Sternen stand bisher im Widerspruch zu den Mengen, die nach den Vorhersagen der Theorien des Urknalls vorhanden sein dürften. Karin Lind konnte nachweisen, dass die bisherigen Messungen und Analysen schlicht ungenau und fehlerhaft waren – und eine solche Diskrepanz nicht besteht. In Heidelberg wird sich Lind insbesondere mit Ansätzen zur Auswertung von Daten befassen, die bei aktuellen Erkundungsprojekten wie etwa der Gaia-Mission der ESA sowie anderen spektroskopischen Untersuchungen gesammelt werden. Die Raumsonde Gaia kartographiert derzeit den gesamten Himmel und soll dabei rund eine Milliarde Sterne unserer Galaxis erfassen. Karin Lind wird dazu beitragen, diese Beobachtungen zu entschlüsseln und die Ursprünge unseres Universums genauer zu erkunden.

Gastinstitut: Max-Planck-Institut für Astronomie Heidelberg
Gastgeber: Prof. Dr. Hans-Walter Rix

Ioan M. Pop

Festkörperphysik

Supraleitende Quantenelektronik: Entwicklung geschützter Quantenbits
Der Quantencomputer, der sich die Gesetze der Quantenmechanik zu eigen machen soll, verspricht eine neue Ära der schnelleren und effizienteren Informationsverarbeitung. Doch die Eigenheiten der Quantenwelt unterscheiden sich deutlich von der klassischen Physik, mit der wir bislang vertraut sind. Seit gut drei Jahrzehnten bemühen sich Physiker weltweit, das Potenzial der Quanten zu erschließen und für die Informationsverarbeitung nutzbar zu machen. Während dieser Zeit konnten spektakuläre Fortschritte erzielt werden – sowohl im Hinblick auf das theoretische Verständnis von Quanten-Informationsverarbeitung als auch bei der Herstellung von Prototypen physischer Plattformen. Supraleiter gelten hier als eine der vielversprechendsten Technologien, da sie unterhalb einer bestimmten Temperatur keinen elektrischen Widerstand mehr besitzen. Ioan Pop befasst sich insbesondere damit, quantenmechanische Effekte in supraleitenden Schaltkreisen zu verstehen und nutzbar zu machen. Ein Beispiel hierfür ist der sogenannte Josephson-Effekt, der den Stromfluss zwischen zwei durch eine Barriere voneinander getrennten Supraleitern beschreibt. Am Karlsruher Institut für Technologie wird sich Ioan Pop der Entwicklung topologisch geschützter supraleitender Schaltkreise widmen, die die Quanteninformationsverarbeitung einen weiteren Schritt voranbringen könnten.

Gastinstitut: Karlsruher Institut für Technologie
Gastgeber: Prof. Dr. Alexey Ustinov

Dr. Ioan M. Pop
1983 in Rumänien geboren, studierte von 2002 bis 2006 Physik an der Universitatea Babeș-Bolyai in Cluj-Napoca, Rumänien. 2007 schloss er sein Masterstudium in Materialwissenschaft ab und absolvierte ein PhD-Studium in Physik am Institut NÉEL, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), und an der Université Joseph Fourier in Grenoble, Frankreich, wo er 2011 promoviert wurde. Seitdem forscht Ioan M. Pop als Postdoktorand an der Yale University in den USA. Pop erhielt zahlreiche Auszeichnungen, darunter ein Stipendium des französischen Wissenschaftsministeriums sowie den Thesis Prize 2012 der Fondation Nanosciences in Frankreich.

Clara Saraceno

Laserphysik

Laser der Zukunft
Terahertzstrahlung wird längst für das Alltagsleben erprobt: Beim Körperscanner am Flughafen dringen die elektromagnetischen Wellen aus dem Frequenzbereich zwischen Infrarotstrahlen und Mikrowellen durch die Kleidung und werden vom Körper reflektiert. Ähnlich funktionieren Terahertz-Scanner, mit denen Briefe und Pakete auf Sprengstoff oder Drogen überprüft werden können. Die Terahertzwellen dringen problemlos durch Materialien wie Papier, Holz, Kunststoff oder Keramik. Doch bislang ist es mit hohem Aufwand verbunden, diese Wellen zu erzeugen. Die Physikerin Clara Saraceno arbeitet daran, Scheibenlaser als neue Quellen für Terahertzstrahlung einzusetzen. Saracenos Spezialgebiet ist die Ultrakurzzeit-Laserphysik. Sie entwickelte bereits eigene Femtosekunden-Scheibenlaser, die für die jeweiligen Leistungsklassen Rekordwerte erzielen. Ihre Technologien wird Saraceno nun für Nutzungen im Terahertzbereich weiterentwickeln. Dies soll künftig neuartige mikroskopische Anwendungen ebenso ermöglichen wie kinetische Messungen oder neue Methoden der Terahertzspektroskopie.

Gastinstitut: Ruhr-Universität Bochum
Gastgeber: Prof. Dr. Martina Havenith-Newen und Prof. Dr. Martin Hofmann

Zhuang Xiaoying

Zhuang Xiaoying

Technische Mechanik/Ingenieurswissenschaften

Forschung am Werkstoff von morgen
Polymermatrix-Verbundstoffe (PMC) kommen in den verschiedensten Gebieten zum Einsatz, zum Beispiel bei der Herstellung von elektronischen Geräten und Halbleitern. Bessere, stärkere und leistungsfähigere PMC sind etwa für die Zukunft der Luftfahrt-, Automobil- und Elektroindustrie von entscheidender Bedeutung. Bislang jedoch sind sie im Hinblick auf ihr Materialverhalten und ihre Schadenstoleranz sowie ihre Eigenschaften bei thermo- beziehungsweise elektro-mechanischer Kopplung nicht ausreichend erforscht. Mithilfe von Computersimulationen und Experimenten möchte Zhuang ganz neue Materialen herstellen, optimieren und überprüfen. Auf diese Weise will sie zu einem neuen Verständnis von Verbundwerkstoffen gelangen und damit deren industrielle Nutzung ermöglichen. Dabei setzt sie bei deren Weiterentwicklung vor allen Dingen auf die Verwendung von Nanomaterialien.

Gastinstitut: Universität Hannover, Institut für Kontinuumsmechanik
Gastgeber: Prof. Dr. Peter Wriggers

Weitere Informationen

• Dossier Sofja Kovalevskaja-Preis