Multiscale Modeling ist ein zentrales Thema in der theoretischen Physik kondensierter Materie und der Materialwissenschaft. Eine prominente Klasse von Materialien, deren Eigenschaften nur selten auf einer Längenskala und einer Zeitskala allein verstanden werden können, ist weiche Materie. Die Eigenschaften weicher Materialien werden durch ein kompliziertes Zusammenspiel von Energie und Entropie bestimmt, und kleinste Veränderungen der molekularen Wechselwirkungen können zu massiven Veränderungen der makroskopischen Eigenschaften des Systems führen.

Der Transregio-Sonderforschungsbereich 173 Spin+X untersucht Spineigenschaften aus verschiedenen Perspektiven und durch die Verbindung mehrerer wissenschaftlicher Disziplinen. Seine Forschung umfasst das gesamte Spektrum der Spinforschung, von mikroskopischen Eigenschaften über emergente Spinphänomene bis hin zur Kopplung mit der makroskopischen Welt. Dies stellt eine neue Disziplin dar, die wir als Advanced Spin Engineering bezeichnen und die darauf abzielt, neue Funktionalitäten auf der Grundlage der Spinphysik zu schaffen.

Die ELASTO-Q-MAT-Initiative, die von diesem CRC/TRR 288 verkörpert wird, zielt darauf ab, neue physikalische Phänomene, die aus einer besonders starken Kopplung zwischen der Elastizität eines Materials und seinen elektronischen Quantenphasen entstehen, zu verstehen, zu fördern und zu nutzen. Zu diesem Zweck werden wir die Auswirkungen der elastischen Abstimmung und die elastische Reaktion verschiedener Arten von elektronischer Ordnung in repräsentativen Klassen von Quantenmaterialien untersuchen, die eine hohe Empfindlichkeit gegenüber intrinsischer Dehnung oder von außen angelegten Spannungsfeldern aufweisen.

Klimawandelprognosen hängen von einer angemessenen Darstellung komplexer Prozesse in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (Upper Troposphere/Lower Stratosphere – UTLS) ab. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs TPChange wird dies durch eine Kombination aus Feldmessungen, Laborstudien, theoretischen Ansätzen und Multiskalen-Modellierung untersucht. Auf der Grundlage eines verbesserten Verständnisses der relevanten Prozesse auf verschiedenen Skalen werden wir Parametrisierungen entwickeln, um moderne Klimamodelle zu verbessern. Unser Ziel ist es, die Auswirkungen von UTLS-Prozessen auf die Zusammensetzung, die Dynamik und letztendlich auf das zukünftige Klima und die Klimavariabilität genau zu bestimmen.

QuCoLiMa (Quantum Cooperativity of Light and Matter) will die besonderen Eigenschaften der Quantenkooperativität in einer Vielzahl von Quantenplattformen an der Schnittstelle von Quantenoptik und kondensierter Materie erforschen. Unser Ziel ist es, das Zusammenspiel von Quanteninterferenz und -verschränkung in der kollektiven Reaktion von Vielteilchen-Quantensystemen auf Licht zu verstehen. Insbesondere werden wir die Rolle der Quanteneigenschaften von Strahlung bei der Entstehung und Vermittlung von kooperativen Quantenphänomenen in einer Vielzahl komplexer Materiesysteme erforschen und damit in den Bereich der Vielkörperphysik der kooperativen Licht-Materie-Quanten eintreten.

Der SFB 1245 „Atomkerne: Von fundamentalen Wechselwirkungen zu Struktur und Sternen“ untersucht die Physik der starken und elektroschwachen Wechselwirkungen von Kernen bis zu Sternen. Die durch die Quantenchromodynamik (QCD) beschriebene starke Wechselwirkung ist für die Bindung von Neutronen und Protonen zu Kernen und für die vielen Facetten der Kernstrukturphysik verantwortlich. In Kombination mit elektroschwachen Wechselwirkungen bestimmt sie die Struktur aller Kerne der Nuklidkarte, ähnlich wie die Quantenelektrodynamik das Periodensystem der Elemente prägt. Während Letzteres gut verstanden ist, ist noch unklar, wie sich die Nuklidkarte aus den zugrunde liegenden Kräften ergibt. Der SFB baut auf den spannenden Verbindungen zwischen den experimentellen und theoretischen Grenzen der Kernstruktur auf, die auf effektiven Feldtheorien (EFTs) der starken Wechselwirkung basieren.

Wesentliche biologische Prozesse wie die Transkription von DNA zu RNA und die Translation zu Proteinen werden durch das Zusammenspiel mehrerer Biomoleküle in einer komplexen Umgebung gesteuert und hängen davon ab. Die Wechselwirkungen der Biomoleküle umfassen ein breites Spektrum von Wechselwirkungstypen, das von dimeren Wechselwirkungen über große Komplexe bis hin zur Hierarchie des Ein- und Auspackens von Genomen reicht. In diesem Sonderforschungsbereich untersuchen Biowissenschaftler und Polymerwissenschaftler gemeinsam Biomoleküle als Biopolymere mit dem Schwerpunkt auf ihrer polymeren Natur. Wie die jüngste Forschung zeigt, führt die polymere Natur von Biopolymeren zu Phänomenen wie Phasentrennung, Phasenübergängen und komplexen Organellenarchitekturen in Zellen, deren Auswirkungen auf die zellulären Funktionen noch nicht vollständig verstanden sind. Durch die Anwendung theoretischer und experimenteller Konzepte aus der Polymerwissenschaft wird diese Initiative es Wissenschaftlern ermöglichen, neue Perspektiven auf biologische Phänomene zu gewinnen und so neue Wege für das Verständnis der molekularen Grundlagen der zellulären Dysfunktion bei Alterung und altersbedingten Krankheiten wie neurodegenerativen Störungen und Krebs zu ebnen.

Das Defekt-Engineering ist ein etablierter Ansatz in der Wissenschaft der harten Materie, der sich auf die Anpassung der Eigenschaften von anorganischen Halbleitern und organischen molekularen Materialien konzentriert. Das Potenzial der Defektkontrolle in weicher Materie ist jedoch noch nicht ausreichend erforscht. Dieser Sonderforschungsbereich zielt darauf ab, dieses Paradigma durch das Verständnis und die Kontrolle von Defekten in polymeren, kolloidalen und amphiphilen Systemen zu ändern. Wir versuchen, das grundlegende Zusammenspiel zwischen Defekten und der Anpassungsfähigkeit und Widerstandsfähigkeit dynamischer Systeme aus weicher Materie zu ergründen, um die Entwicklung funktioneller Einheiten zu ermöglichen, bei denen Defekte den Stoff- oder Ladungstransport kontrollieren.

Der SFB 1660 „Hadronen und Kerne als Entdeckungsinstrumente“ zielt darauf ab, die starke Wechselwirkung zu verstehen, die zu Prozessen mit Hadronen, Kernen und Atomen führt. Das Ziel ist die Beantwortung grundlegender Fragen: Welche physikalischen Phänomene treten jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik (SM) auf und wie können wir sie messen und beschreiben?