Sonderforschungsbereiche und Verbundprojekte
Interdisziplinäre und internationale Kooperationen für besondere wissenschaftliche Erfolge
Unser Fachbereich besaß bereits in den 1970er Jahren einen der ersten Sonderforschungsbereiche der Universität, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wurde. Der Fachbereich Physik ist heute Sitz dreier solcher Forschungsverbünde – SFB/TRR 227, SFB 1078 und FOR 2724 – und stellt den Vizesprecher des Sonderforschungsbreichs TRR183. Unsere Forscherinnen und Forscher beteiligen sich an zahlreichen Sonderforschungsbereichen anderer Hochschulen.
Da wir herausragende wissenschaftliche Erkenntnisse und einzigartige Einblicke in die Natur gewinnen möchten, arbeiten wir ständig daran, neue Projekte über Disziplinen, Länder und Forschungseinrichtungen hinweg zu schaffen. Die erste Einstein Research Unit der Berlin University Alliance nahm 2021 ihre Arbeit auf. Im Jahr 2023 wird das erste ERC Synergy Projekt der Freien Universität Berlin an unserem Fachbereich starten.
SFB/TRR 227 - Ultraschnelle Spindynamik
TRR227
Bildquelle: SFB/TRR 227
Wie können wir magnetische Systeme auf ultrakurzen Zeitskalen im Nanobereich manipulieren, um langfristig eine neue Generation von Speichersystemen und Informationstechnologien möglich zu machen?
Im Zentrum der Forschung steht eine spezielle magnetische Eigenschaft von Elektronen − der sogenannte Spin. Wir möchten das Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse und Schüsselelemente für spinbasierte Informationstechnologie liefern, die im Terahertz-Frequenzbereich arbeitet.
Seit 2018
Sprecher: Prof. Dr. Martin Weinelt
Förderung: 20,1 Mio €
Beteiligt: AG Bolotin, AG Brouwer, AG Franke, AG Kampfrath, AG Kuch, AG Weinelt
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SFB 1078 - Protonierungsdynamik in der Proteinfunktion
SFB 1078
Welche Rolle spielt die Verlagerung von Wasserstoffionen (Protonen) bei der Funktion von Proteinen?
Wir untersuchen, inwieweit die sogenannte Protonierungsdynamik die Wirkungsweise von Proteinen steuern kann. Die Erkenntnisse aus dieser biophysikalischen Grundlagenforschung könnten langfristig für die Entwicklung neuartiger Konzepte zur regenerativen Energiegewinnung wie die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch Sonnenlicht nützlich sein.
Seit 2013
Sprecher: Prof. Dr. Joachim Heberle; Prof. Dr. Holger Dau (bis 2017)
Förderung: 29,3 Mio €
Beteiligt: AG Alexiev, AG Clementi, AG Dau, AG Heberle, AG Heyne, AG Kozuch, AG Netz, AG Schlesinger
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TRR 183 - Verschränkte Materiezustände
CRC/TRR 183
Im Zentrum der Arbeit stehen Untersuchungen zur Verschränkung, einem wichtigen Teilgebiet der Quantenmechanik. Komplexe Quantensysteme können Verschränkungen eingehen, simultane Überlagerungen unterschiedlicher Zustände ihrer Subsysteme. Die theoretischen Untersuchungen zielen darauf, solche Verschränkungen auch in makroskopischen Systemen nutzbar zu machen und dadurch letztlich Grundlagen für neue Formen von Informationsverarbeitung zu legen.
Seit 2016
Sprecher: Universität zu Köln; Vizesprecher: Prof. Dr. Piet Brouwer
Förderung: rund 16 Mio €
Beteiligt: AG Brouwer, AG Eisert, AG Franke, AG Koch; AG Metelmann, AG Reuther, AG von Oppen
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FOR 2724 - Thermische Maschinen in der Quantenwelt
Thermische Maschinen in der Quantenwelt
Theoretische Physiker und Experimentalphysiker erarbeiten gemeinsam neue Ansätze, wie thermische Maschinen in der Quantenwelt konstruiert und realisiert werden können. Sie möchten experimentelle Nachweise liefern, dass die Regeln der Thermodynamik tatsächlich geändert werden müssen, wenn es um kleinste Maschinen auf der Nanoskala geht.
Seit 2018
Sprecher: Prof. Dr. Jens Eisert
Förderung: 2 Mio €
Beteiligte: Freie Universität Berlin, Universität Stuttgart, Weizmann Institute of Science, Heidelberg Universität, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Universität Ulm, Universität Kassel, Vienna Center for Quantum Science and Technology
Zum FOR 2724
Perspectives of a Quantum Digital Transformation
Einstein Research Unit (Berlin University Alliance)
Erste Einstein Research Unit der Berlin University Alliance
Quantencomputer und Quantenprozessoren in naher Zukunft: Wie können Quantencomputer die rechnerische Leistung von Computern revolutionieren? Welche neuen Einsichten bieten Quantencomputer für die Hochenergiephysik oder die Quantenchemie?
Berliner Forscherinnen und Forscher werden zunächst über drei Jahre Expertise in theoretischer und experimenteller Physik, angewandter Mathematik, Informatik und Maschinenlernen zusammenbringen und neuartige Ansätze und technische Lösungen entwickeln.
Seit 2021
Sprecher: Prof. Dr. Jens Eisert
Beteiligt: AG Eisert, AG Koch, AG Brouwer, AG von Oppen
Einstein Research Unit
UniSysCat - Unifying Systems in Catalysis
UniSysCat
Exzellenzcluster der Berlin University Alliance
Katalyse-Netzwerke verstehen und nutzen lernen: Mehr als 85 Prozent aller Produkte kommen im Laufe der Produktion in Kontakt mit einem Katalysator. Katalyseforschung ist der wesentliche Treiber für die "grüne Chemie", die auf Nachhaltigkeit und Ressourcen-Schonung setzt.
Das Forschungsteam möchte Reaktionsnetzwerke in der chemischen und biologischen Katalyse in Raum und Zeit entschlüsseln, um diese kontrollieren und simulieren zu können. Zentrale Frage: Welche Schlüsselparameter ermöglichen und steuern chemokatalytische und biokatalytische Netzwerke?
Seit 2019
Sprecher: TU Berlin
Beteiligt: AG Bittl, AG Dau, AG Heberle, AG Horch, AG Schlesinger
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Aktuelle SFBs
mit Beteilung des FB Physik der FU Berlin
SFB 1449
Neuer Sonderforschungsbereich der FU Berlin
Was sind die wichtigsten physikalisch-chemischen Parameter, die die schützende Hydrogelfunktion an biologischen Grenzflächen im gesunden Zustand charakterisieren?
Hydrogele bestehen aus wasserquellbaren Polymeren, die einen hohen Anteil an Wasser binden können. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen anhand der Atemwege und des Darms die schützenden Funktionen von Hydrogelen an biologischen Grenzflächen näher untersuchen, um die Voraussetzungen für die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien bei Lungen- und Magen-Darm-Erkrankungen zu definieren.
Sprecher
Prof. Dr. Rainer Haag, Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie
Beteiligte Arbeitsgruppen
SFB 1449
SFB 1349
Studien zu besonderen Wechselwirkungen von fluorierten Gruppen in Molekülen oder Materialien
Zum einen geht es um Wasserstoffbrückenbindungen zu fluorierten Einheiten welche in fluorierten Pharmazeutika sowie bei der Lagerstättenbildung von Metallen in der Erdkruste eine wichtige Rolle spielen. Erforscht werden zudem die Interaktion von Molekülen zu sogenannten fluorierten Lewis-Säuren, die für katalytische Prozesse relevant ist.
Fördersumme
9,1 Mio €
Sprecher
Prof. Dr. Sebastian Hasenstab-Riedel, Freie Universität Berlin
Beteiligte Arbeitsgruppen
Beteiligte Hochschulen
- Freie Universität Berlin
- Humboldt-Universität zu Berlin
- Technische Universität Berlin
- Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
- Universität Bayreuth
- Universität Stuttgart
Zum SFB 1349
SFB 1319
Der SFB konzentriert sich auf die Erarbeitung eines mikroskopischen und quantenmechanischen Verständnisses von einzelnen chiralen Molekülen in der Gasphase unter perfekt definierten experimentellen Bedingungen. Um Chiralität auf der Einzelmolekülebene zu kontrollieren und zu steuern, werden die fortschrittlichsten Werkzeuge der experimentellen und theoretischen Atom- und Molekülphysik sowie der Optik und Quantenoptik (AMO) in der Gasphase genutzt. Mittels extremen Lichtes, das alle relevanten Anregungsbereiche im Sinne von Energie, Intensität und zeitlicher Auflösung einschließt, setzt sich der SFB mit dem gesamten molekularen Quantensystem bestehend aus Elektronen und Atomkernen auseinander.
Sprecher
Universität Kassel
Beteiligt
Zum SFB 1319
SFB 1114 - Skalenkaskaden in komplexen Systemen
Modellierungs- und Simulationstechniken für verschiedene Vorhersagen
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Meteorologie, Geologie, Biochemie, Mathematik und Physik entwickeln Modellierungstechniken, durch die eine kontrollierte Verteilung der Rechenfreiheitsgrade über die Skalenkaskade ermöglicht wird. Sie erarbeiten Modellierungs- und Simulationstechniken für die Vorhersage beispielsweise von Erdbeben oder großen Niederschlagsmengen.
Sprecher
Prof. Dr.-Ing. Rupert Klein, Freie Universität Berlin
Beteiligte Arbeitsgruppen
Zum SFB 1114
Wie kann eine kleine Zahl von molekularen Schaltern eine große Zahl diverser biologischer Prozesse mit unterschiedlichen Kinetiken und unterschiedlichen subzellulären Lokalisationen koordinieren?
Biologische Signale werden durch molekulare Schalter erzeugt. Diese erlauben eine zeitliche und räumliche Koordination eines großen Spektrums zellulärer Prozesse.
Mit einer Kombination interdisziplinärer Methoden möchten Forscherinnen und Forscher ein vollständiges Verständnis der zellulären Mechanismen erarbeiten, auf deren Basis molekulare Schalter die zeitliche und räumliche Kontrolle von komplexen zellulären Prozessen wie die Sekretion von Signalmolekülen, Rezeptorsignaltransduktion und Endozytose, die Genexpression und andere zentrale Aktivitäten ermöglichen, die vitale Zellen charakterisieren.
Sprecher
Heidelberg Universität
Vizesprecher
Freie Universität
Beteiligte Arbeitsgruppen
Zum SFB/TRR 186
SFB 951
Wie können wir unterschiedliche Materialklassen zu anorganisch/organischen Hybridsystemen kombinieren, um verbesserte und neuartige opto-elektronische Funktionalitäten für Schlüsseltechnologien zu realisieren?
In der ersten Forschungsphase hat der SFB die grundlegenden chemischen, elektronischen und photonischen Wechselwirkungen in anorganisch/organischen Hybridsystemen untersucht und umfassend verstanden. Es wurden neuartige hybridisierte Quantenzustände und gekoppelte Anregungen an den HIOS Grenzflächen entdeckt. Gleichzeitig wurde das grundsätzliche Limit der bislang eingesetzten modernen anorganischen Volumenhalbleiter identifiziert.
Aktuell arbeiten die Forscherinnen und Forscher daran, das äußerst hohe Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis sowie die starke Licht-Materie-Wechselwirkung von atomar dünnen Monolagen von Übergangsmetalldichalkogeniden auszunutzen. Sie bestimmen die grundlegenden Wechselwirkungen und opto-elektronischen Eigenschaften dieser Heterostrukturen, um eine maximale Kopplung und Funktionalität zu erzielen.
Der SFB befasst sich mit dissipativen, nichtlinearen dynamischen Systemen fern ab des thermischen Gleichgewichts. Ein charakteristisches Merkmal solcher in Physik, Chemie und Biologie weit verbreiteten Systeme ist Selbstorganisation, d.h. die spontane Bildung zeitlicher, räumlicher oder raumzeitlicher Strukturen. Das Ziel des Sonderforschungsbereiches ist es, solche selbstorganisierenden dissipativen Strukturen gezielt zu generieren und zu kontrollieren. Im Rahmen einer interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen angewandten Mathematikern, theoretischen Physikern und Neuro-Informatikern entwickeln wir hierzu neue Kontrollkonzepte und -methoden und modellieren deren Anwendung auf ausgewählte innovative Systeme, die von harter kondensierter Materie bis zu biologischen Systemen reichen und räumliche Skalen von Nanometer bis Mikro- und Millimeter umfassen. Dabei werden verschiedene Kontrollkonzepte aus der nichtlinearen Dynamik und Chaoskontrolle, der klassischen Steuerungs- und Optimierungstheorie, und der Quantenkontrolle zusammengeführt.
Unifying Systems in Catalysis (UniSysCat)
Katalyse-Netzwerke verstehen und nutzen lernen
Abgeschlossene SFBs
mit Sprecherschaft des FB Physik der FU Berlin
SFB 658
Der SFB hatte es sich zur Aufgabe gemacht, molekulare Schalter an Oberflächen zu verankern und dadurch neue Wege zur Kontrolle ihrer funktionellen Eigenschaften zu beschreiten. Eine zentrale Herausforderung bestand darin, dass die Schalteigenschaften durch die Oberfläche erheblich modifiziert werden bis hin zum Unterdrücken des Schaltvorgangs. Daher wurden Strategien entwickelt, die Kopplung der Schaltermoleküle an die Oberfläche zu optimieren. So wurden neue Schaltermoleküle mit verschiedenen Abstandshaltern synthetisiert, die es erlauben, die Wechselwirkung zwischen Molekül und Oberfläche in planarer oder vertikaler Adsorptionsgeometrie gezielt einzustellen. Durch die intensive Kooperation von Synthesechemie und Oberflächenphysik konnte eine Vielzahl von Schaltprozessen auf Oberflächen realisiert werden. Dazu gehören trans-cis-Isomerisierungs-, Tautomerisierungs- und Ringöffnung/Ringschluss-Schaltprozesse sowie das Schalten magnetischer Moleküle angekoppelt sowohl an Metall- und Halbleiteroberflächen, als auch an Graphen und Kohlenstoffnanoröhren.
Nach dem Überwinden nicht unerheblicher experimenteller Schwierigkeiten, ist das Schalten an Oberflächen heute Routine. So konnten die dem Schaltvorgang zu Grunde liegenden Elementarprozesse am Einzelmolekül und im Ensemble durch die intensive Zusammenarbeit von Experiment und Theorie im Detail analysiert und optimiert werden. Manipulation auf atomarer Ebene erlaubte spezifische Geometrien herzustellen, dabei Moleküle auf der Oberfläche zu stabilisieren und nicht nur vertikal, sondern auch lateral zu kontaktieren. Unter anderem gelang die Entwicklung eines Einzelmolekültransistors. Über Selbstorganisation wurden molekulare Schichten hergestellt, deren optische und elektrische Eigenschaften durch Licht extrem effektiv und ermüdungsarm geschaltet werden können. In Netzwerken molekularer Schalter wurde Verstärkung durch Kooperativität erzielt. Der Spinzustand magnetischer Moleküle konnte durch die Kopplung an das Substrat stabilisiert und geschaltet werden. Darüber hinaus konnten die physikalischchemischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren wie Löslichkeit, Biokompatibilität, Lichtemission und Ladungsträgerdichte durch Schaltprozesse manipuliert werden.
Sprecher
Professor Dr. Martin Weinelt, seit 7/2015
Professor Dr. Felix von Oppen, bis 7/2015
Beteiligte Arbeitsgruppen
AG Fumagalli, AG Kuch, AG von Oppen, AG Weinelt, AG Groß, AG Pascual, AG Tegeder
Zahlen
- rund 430 Publikationen
- 85 abgeschlossene Promotionen
- 5 strategische Berufungen
- Wegberufung von 7 Teilprojektleitenden
Beteiligte
- Freie Universität Berlin
- Humboldt-Universität zu Berlin
- Technische Universität Berlin
- Universität potsdam
- Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (FHI)
- Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI)
Zum SFB 658
SFB 498
Das zentrale Untersuchungsthema war das Zusammenspiel der Protein-Kofaktor-Wechselwirkungender der Proteinmatrix sowohl mit organischen Kofaktoren als auch mit Metallionen. Das interdisziplinäre Forschungsteam zog einen kombinierten Ansatz verschiedener biochemischer, molekularbiologischer, strukturanalytischer, spektroskopischer und theoretischer Techniken heran.
Sprecher
Beteiligte Arbeitsgruppen
AG Antontik / Stehlik, AG Weber, AG Haumann / Dau, AG Heyne
Forschungspartner
- Freie Universität
- Charité - Universitätsmedizin Berlin
- Humboldt-Universität zu Berlin
- Technische Universität Berlin
- Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP)
im Forschungsverbund Berlin e.V.
Das Ziel der gemeinsamen Forschungsaktivitäten war es, in unterschiedlichen materiellen Systemen mittels ultrakurzer Laserpulse Veränderungen der Elektronen- und Kern-Konstellation zu bewirken. Die dabei ausgelösten Bewegungsabläufe sollten zeitlich charakterisiert und durch entsprechende Gestaltung der eingestrahlten Lichtfelder nach Möglichkeit so gelenkt werden, dass ein stabiler, detektierbarer Endzustand erreicht wurde.
In der ersten Förderperiode stand die Analyse solcher photoinduzierter dynamischer Abläufe experimentell wie theoretisch im Vordergrund. Die optische Anregung des Systems erfolgte dabei zumeist mit einem möglichst kurzen Pumppuls, während die resultierende Veränderung der Kernkoordinaten des Systems mit einem ebenfalls möglichst kurzen, zeitlich verzögerten Probepuls abgefragt wurde.
In der zweiten Förderperiode wurde durch den Einsatz komplexerer Anregungsfelder vermehrt auch das Ziel einer Steuerung realisiert. Im Experiment setzten die Forscher dabei geeignete Modulatoren ein; komplementär dazu wurde die Theorie der optimalen Kontrolle ausgebaut. Und so kam es im Bereich kleiner, noch überschaubarer Systeme mit wenigen aktiven Freiheitsgraden zu einer sehr erfreulichen Konvergenz von Theorie und Experiment, womit ein wesentlicher Teil des Weges in Richtung komplexerer Systeme geebnet wurde. Auch bei den komplexeren Systemen boten die experimentellen Ergebnisse in enger Kooperation mit der Theorie sehr detaillierte Einblicke in die Dynamik ultraschneller photoinduzierter Reaktionen.
Sprecher
Partner
- Freie Universität
- Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
- The Hebrew University of Jerusalem
- Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (FHI)
- Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie
- Humboldt-Universität zu Berlin
- Tel-Aviv University
- Universität Potsdam
Zum SFB 450
Downloads
Die Forscherinnen und Forscher untersuchten ultradünne, aus wenigen Monolagen bestehende Filme und deren elektronische und magnetischer Eigenschaften sowie Gitterschwingungen und Transporteigenschaften. Ihr Ziel war dabei den Zusammenhang zwischen Struktur, Morphologie und den physikalischen Eigenschaften dünner metallischer Filme besser zu verstehen.
Sprecher
Prof. Dr. K. H. Rieder
Partner
- Freie Universität
- Humboldt-Universität
- Technische Universität Berlin
Zum SFB 290
Die wissenschaftliche Zielsetzung war die Untersuchung der Dynamik physikalischer und chemischer Folgeprozesse nach Deponierung einer lokalen Anregungsenergie in einem molekularen Aggregat, das sich in unterschiedlichen Umgebungen befinden konnte. Neben magnetischen Resonanzverfahren kam hier erstmals die zeitaufgelöste Spektroskopie mit ultrakurzen Laserpulsen zum Einsatz, mit der die Elektronendynamik nach Photoanregung mit einer Zeitauflösung im Femtosekunden-Bereich verfolgt werden konnte, was die Beobachtung völlig neuer Effekte erlaubte.
Sprecher
Prf. Dr. Stehlik
Förderung
37,9 Mio DM
Partner
- Freie Universität Berlin: Fachbereich Physik, Fachbereich Chemie
- Fritz-Habcr-Institut für Physikalische Chemie der Max-Planck-Gesellschaft
- TechnischeUnivcrsitatBerlin
- Hahn-Meitner-Institut
Downloads
Der SFB161 war einer der ersten an der Freien Universität. Das Arbeitsgebiet war die Untersuchung von Hyperfeinwechselwirkungen in angeregten Kernzuständen, Molekülen und freien Atomen sowie die elektronische Struktur von kondensierter Materie.
Sprecher
Wilking (1972–73), Hüfner (1973–74), Matthias (1974–75) und Gabriel (1975–86)
Was ist ein Sonderforschungsbereich? Was sind Verbundprojekte?
Die Sonderforschungsbereiche, kurz SFBs, sind langfristige Forschungsprogramme der Hochschulen, in denen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fächerübergreifend zusammenarbeiten und bis zu zwölf Jahre lang an einem Fokusthema forschen.
Die Transregios, kurz SBF/TRR, sind langfristige Forschungsprogramme mehrerer nationalen und internationalen Hochschulen. Bei solchen Kooperationsprojekten nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gemeinsam Forschungsressourcen und arbeiten für das gemeinsame Forschungsziel komplementär und synergetisch.
Die DFG Forschungsgruppe, kurz FOR, ist ein meistens für sechs Jahre laufender interdisziplinärer Zusammenschluss mehrerer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.
Einstein Research Units sollen langfristig angelegte Forschungsverbünde in strategisch wichtigen Forschungsfeldern der Berlin University Alliance ermöglichen.
Die Focus Areas sind Plattformen, in denen innovative Forschungsthemen diskutiert, neue Projekte konzipiert und bis zur Antragsreife weiterentwickelt werden - von Sonderforschungsbereichen über die DFG-Exzellenzförderung bis hin zu europäischen Verbundprojekten.
ERC Synergy Projekte sind wissenschaftliche Initiativen an den Schnittstellen zwischen verschiedenen etablierten Disziplinen, die von Gruppen von zwei bis vier Hauptforschern durchgeführt werden und zu substantiellen Fortschritten an den Grenzen des Wissens führen sollen. Dabei geht es um die die Entwicklung neuer Methoden und Techniken sowie ungewöhnliche Herangehensweisen.