Vorstellung des Exzellenzclusters Physik der JMU Würzburg

Eine halbtote Katze im Forschungslabor der Physik. Schrödinger, der anwesend und gleichzeitig abwesend ist. Was es damit auf sich hat, wird im Laufe des Artikels deutlich. Feststeht, dass die Physik an der Julius-Universität-Würzburg eine übergeordnete Rolle spielt. Sie haben als einziges Fach der JMU Würzburg einen Exzellenzcluster. Er heißt Complexity and Topology in Quantum Matter (Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien). Diesen Titel teilen sie sich mit der TU Dresden. Mehr als 270 Forschende aus 34 Ländern und von vier Kontinenten untersuchen topologische Quantenmaterialien, die unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen, hohem Druck oder starken Magnetfeldern überraschende Phänomene offenbaren. Der Exzellenzcluster wird im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert – als einziges bundeslandübergreifendes Cluster in Deutschland.

Prof. Dr. Ralph Claessen ist Sprecher des Clusters und engagiert sich tagtäglich auf höchstem akademischem Niveau und voller Leidenschaft für die Forschung der Quantenphysik. Gerade ist er mit der Planung einer groß angelegten Konferenz zum Thema der neuesten Quantenphänomene, die sich aus der topologischen Physik und ihrem Zusammenspiel mit Vielteilchenwechselwirkungen in verschiedenen Bereichen der Quantenmaterie ergeben, beschäftigt. Diese wird vom 25. bis zum 29. Juli 2022 als Präsenzveranstaltung im Kongress Zentrum Würzburg stattfinden. Geladen sind international renommierte Forscherinnen und Forscher, darunter Bent Weber aus Singapur und Subir Sachdev von der Harvard University. 

Ein weiteres Highlight und zudem großer Erfolg des Exzellenzclusters ist die Spiele-App „Katze Q – ein Quanten-Adventure“. Das ist ein gemeinsames Projekt mit dem Dresdner Cluster und dem Game-Designer Philipp Stollenmayer. Die App hat zahlreiche Preise abgestaubt. Man tut sich fast schwer alle Preise und deren Wichtigkeit gebührend zu unterstreichen, so viele sind es. Beim Valencia Indie Summit wurde die App als „Best Mobile Indie Game“ ausgezeichnet. Zudem ist das Handyspiel für den GOLDENEN SPATZ im Wettbewerb „Digital“ sowie für den Deutschen Computerspielpreis (DCP) als „Bestes Familienspiel“ nominiert worden. Der Deutsche Computerspielpreis (DCP) ist der wichtigste Preis für die deutsche Games-Branche. Der GOLDENE SPATZ ist das größte Festival für deutschsprachige Kindermedien. Das Mobile Game, das Kinder und Jugendliche spielend für Physik begeistert, ist seit Mitte Oktober 2021 in App- und Play-Store erhältlich. Bisher wurde die App weltweit etwa 100.000-mal heruntergeladen.  
Der Clustersprecher Prof. Dr. Ralph Claessen, Professor für Experimentelle Physik an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg, sagt begeistert: „Ich kann es kaum glauben, dass unsere Spiele-App ‚Katze Q‘ international Preise abräumt und jetzt sogar für den Deutschen Computerspielpreis nominiert ist! Mein Arbeitsalltag besteht meist aus physikalischen Formeln und Laborexperimenten. Dass es uns gelungen ist, diese komplexe Quantenphysik mit einem Handyspiel zu vermitteln, macht mich stolz. Und dass diese verrückte Idee sehr gut funktioniert, sehen wir vor allem, wenn uns Kinder, Eltern und Lehrer*innen schreiben. Die App ‚Katze Q‘ gibt Kindern und Erwachsenen die Chance, die seltsame Quantenwelt gemeinsam zu erkunden.“
Das Vorbild für die Katze Q ist ein populäres Gedankenexperiment der Quantenmechanik des Nobelpreisträgers Erwin Schrödinger (1887 – 1961), das als Schrödingers Katze bekannt wurde. Mit dem Tier in der Kiste, das lebendig und tot zugleich ist, schuf er 1935 ein anschauliches Beispiel für einen Grundsatz der Quantenmechanik: Objekte können sich zur gleichen Zeit in unterschiedlichen Zuständen befinden, die sich eigentlich gegenseitig ausschließen – „Überlagerung“ genannt.
Heute erst hat sich Prof. Dr. Claessen mit einer Postdoc getroffen, um in dem eigens eingerichteten Youtube Channel QUANTube in einem kurzen Video die in der Katzen-App gestellten Fragen der User*innen zu beantworten. Das geschieht auf wissenschaftlicher Basis, zugleich aber leicht verständlich und mit Liebe zum Detail, sodass Groß und Klein Lust auf Physik bekommen. 

Der Sprecher des Exzellenzclusters hat außerdem zu verkünden, dass Adriana Pálffy-Buß die neue W2-Professur für Theoretische Quanteninformation und Quantenoptik des Exzellenzclusters ct.qmat übernimmt. Sie ist Expertin auf dem jungen Forschungsfeld der Röntgen-Quantenoptik. Ihr Forschungsgebiet (Röntgen-Quantenoptik) nutzt die extrem kurzwellige Röntgenstrahlung statt sichtbarem Licht zur Erforschung winzigster Teilchen. Das könnte für zerstörungsfreie Abbildungsverfahren relevant werden und leistet einen entscheidenden Beitrag zur quantenphysikalischen Grundlagenforschung.

„Ich freue mich, dass wir den Forschungsbereich Quantenoptik in Würzburg gemeinsam mit Adriana Pálffy-Buß auf das Gebiet der Röntgenphysik erweitern können. Mit ihr haben wir eine renommierte Expertin für die Licht-Materie-Wechselwirkung gewonnen, die unsere Würzburger Röntgen-Tradition fortsetzt – und zwar in eine ganz neue Quantenrichtung. Dabei stehen die Quanteneigenschaften der Röntgenphotonen selbst im Vordergrund und wir erhoffen uns innovative sowie originelle Perspektiven und Forschungsansätze“, betont Prof. Dr. Ralph Claessen.

Im Zentrum der Röntgen-Quantenoptik stehen die Effekte, die sich im Atomkern durch die Interaktion mit Röntgenstrahlen ergeben. Die Wechselwirkung von Röntgenquanten mit Atomkernen könnte der Materialforschung neuartige Möglichkeiten eröffnen: „Vielleicht können Röntgenphotonen zukünftig als Informationsträger genutzt werden oder neue Anwendungen wie Röntgen-Laser entstehen“, meint Claessen.

Würzburg ist der Höhepunkt ihrer ausgezeichneten Karriere. „Würzburg ist nicht nur die Heimat der Röntgenstrahlung, sondern durch das Exzellenzcluster auch eine unglaublich spannende Forschungsumgebung für die Quantenphysik. Ich freue mich sehr, davon profitieren zu dürfen“, so Adriana Pálffy-Buß, die zuletzt im Rahmen einer Heisenberg-Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig war.

Ein weiterer toller Erfolg, der hier noch erwähnt warden muss: Dr. Tobias Meng, Forscher des Exzellenzclusters ct.qmat der Universitäten Dresden und Würzburg, wird von der Deutschen 
Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit dem Heinz Maier-Leibnitz-Preis 2022 ausgezeichnet. Der Preis gilt als wichtigste Auszeichnung für wissenschaftlichen Nachwuchs in Deutschland und ist mit 20.000 Euro dotiert.
Der junge Familienvater designt revolutionäre Quantenmaterialien, die in Zukunft zum Beispiel Strom 
verlustfrei leiten oder gigantische Informationsmengen speichern 
können – die Bausteine für die Hightech des 21. Jahrhunderts.
Für seine außergewöhnliche wissenschaftliche Leistung wird Tobias 
Meng mit dem Heinz Maier-Leibnitz-Preis von DFG und BMBF 2022 
ausgezeichnet. In der Begründung heißt es, er habe bahnbrechende 
Arbeiten in der topologischen Physik und zum Verhalten topologischer 
Quantenmaterialien verfasst. Meng beschäftigt sich mit Supraleitung, 
stark korrelierten Systemen, Transportphänomenen sowie 
Quantencomputing und nutzt hierfür ein außergewöhnlich breites 
methodisches Spektrum.

Die Preisverleihung findet als öffentliche Veranstaltung am 03. Mai 
2022 in Berlin statt und wird per Livestream übertragen. 

Das ganze Sprachrohrteam und ich gratulieren Prof. Dr. Meng und freuen uns auf viele weitere Preise, Auszeichnungen und Forschungs-Erfolge für den Exzellenzcluster.