Materials, Condensed Matter and Complex Systems

Ayalas Gruppe konzentriert sich darauf, die Funktionalität von nanostrukturierten Materialien für Anwendungen wie die Gas- und Biosensorik maßzuschneidern. Im Mittelpunkt ihrer Forschung steht das Verständnis der physikalischen Grundlagen hinter den charakteristischen elektronischen und optischen Eigenschaften von Strukturen wie funktionalisierten einwandigen Kohlenstoffnanoröhren und TMDC-Nanostrukturen.

Wir sind eine junge experimentelle Forschungsgruppe, deren Schwerpunkt auf dem Quantentransport und der Supraleitung in nanoelektronischen Bauelementen liegt, insbesondere solchen, die auf zweidimensionalen (2D) Materialien wie Graphen, Übergangsmetall-Dichalkogeniden und komplexeren van-der-Waals-Heterostrukturen basieren.

Wir entwickeln fortschrittliche optische und rheologische Methoden, um die physikalischen Zusammenhänge weicher und lebender Materie aufzudecken – von Kolloiden und Gelen bis hin zu Zellen und Geweben –, wobei wir eine Brücke zwischen Mikroskopie, Streuung, Mechanik und Nichtgleichgewichtsdynamik schlagen, sowohl auf der Erde als auch im Weltraum.

Unsere Gruppe betreibt Spitzenforschung auf dem Gebiet des Magnetismus und befasst sich dabei mit der Physik von Spinwellen, der Quantenmagnonik bei Temperaturen im Millikelvin-Bereich sowie der Dynamik magnetischer Systeme im Nanobereich. Unter Einsatz von KI-gestützten Inversdesign-Ansätzen entwickeln wir neuartige, energieeffiziente, auf Magnonen basierende Rechen- und HF-Technologien.

Christoph Dellago entwickelt Algorithmen für Computersimulationen zur Untersuchung dynamischer Prozesse in Systemen der kondensierten Materie, die von der Keimbildung über die Selbstorganisation bis hin zu biomolekularen Umstrukturierungen reichen. Seine jüngsten Arbeiten konzentrieren sich auf die Anwendung von Techniken des maschinellen Lernens zur Aufdeckung molekularer Mechanismen.

Wir nutzen die optische Holographie in speziellen nichtlinearen Materialien zur Herstellung diffraktiver optischer Elemente für Licht und insbesondere für sehr kalte Neutronen. Drei Gitter werden so ausgerichtet, dass sie ein Neutroneninterferometer bilden. Die Experimente werden an Neutroneneinrichtungen in Frankreich durchgeführt.

Der Schwerpunkt meiner Forschung liegt auf der Entwicklung und Anwendung von First-Principles-Methoden, Quanten-Vielteilchen-Techniken und künstlicher Intelligenz zum Verständnis und zur Vorhersage von Quantenmaterialien, wobei der Fokus auf elektronischen Korrelationen, Magnetismus, Elektron-Phonon-Wechselwirkungen und Polaronen liegt.

Mithilfe von First-Principles-Methoden und Hochleistungsrechnen untersuche ich technologisch relevante Eigenschaften von halbleitenden Festkörpern, Oberflächen und niedrigdimensionalen Materialien, wobei mein Schwerpunkt darauf liegt, zu verstehen, wie Struktur, Defekte und Dehnung deren Stabilität sowie ihr elektronisches und optisches Verhalten beeinflussen.

In Bearbeitung

Jani konzentriert sich in seiner Forschung auf die Manipulation von Materialien auf atomarer Ebene, wobei er Materialphysik, Transmissionselektronenmikroskopie und computergestützte Physik miteinander verbindet. Sein derzeitiges Ziel ist es, atomar maßgeschneiderte Strukturen für die zweite Quantenrevolution sowie für die umweltfreundliche Energieerzeugung und -speicherung zu entwickeln.

Der Forschungsschwerpunkt von Georg Kresse liegt auf der Lösung der Vielteilchen-Schrödinger-Gleichung für reale Materialien. Mithilfe von VASP verbindet er Quanten-Monte-Carlo-Methoden mit „On-the-Fly“-maschinellem Lernen, um bei Systemen der kondensierten Materie eine bisher unerreichte Präzision zu erzielen und die Lücke zwischen der DFT und der exakten Theorie zu schließen.

Theorie und Simulation weicher Materie; Eigenschaften komplexer Flüssigkeiten im Gleichgewicht und außerhalb des Gleichgewichts; Struktur, Dynamik und Rheologie kolloidaler Suspensionen und Polymerlösungen; Gläser; aktive und biologische Materie; Biomakromoleküle; Topologie in der weichen Materie; Phasenübergänge; Didaktik der Physik.

Erneuerbare Technologien wie Batterien und Brennstoffzellen beruhen auf ultraschneller Dynamik von Atomen und Elektronen an Materialgrenzflächen. Wir entwickeln quantenmechanische und klassische Simulationsverfahren sowie Methoden des maschinellen Lernens, um die Eigenschaften neuer Materialien zu verstehen und deren Entwicklung voranzutreiben.

Meine Forschungsarbeit umfasst die Materialwissenschaften, Festkörperphysik/Spektroskopie, mesoskopische Physik, stark korrelierte Systeme sowie Quantenfestkörper mit niedriger Dimension (z. B. Graphen, TMDC, Nanoröhren, Fullerene, eingeschlossenes Carbin). Ich leiste Pionierarbeit bei der Materialentwicklung und der Untersuchung grundlegender elektronischer Transport- und optischer Eigenschaften durch die Entwicklung fortschrittlicher optischer und elektronischer Spektroskopieverfahren.

Der Forschungsschwerpunkt liegt auf der Charakterisierung von nanostrukturierten, nanoskaligen und Volumenmaterialien unter Einsatz modernster Verfahren, darunter die Transmissionselektronenmikroskopie, um die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen stabiler und metastabiler Materialien zu untersuchen, wobei ein besonderer Fokus auf energiebezogenen Materialien liegt.

Erhard Schafler beschäftigt sich mit der Synthese von nanostrukturierten/nanokristallinen Volumenmaterialien mittels Methoden der starken plastischen Verformung (SPD). Im Mittelpunkt seiner Arbeit stehen die mechanischen und funktionellen Eigenschaften der erzeugten Mikrostrukturen sowie deren Charakterisierung mittels Kalorimetrie und Röntgenbeugung/Synchrotronstrahlung.

Der Forschungsschwerpunkt liegt im Bereich des computergestützten Magnetismus: GPU-beschleunigte mikromagnetische Simulationen, magnetische Sensoren, Spin-Orbit-Torque-Bauelemente sowie das inverse Design magnetischer Nanostrukturen. Weitere Forschungsthemen sind nichtlineare Optik, Photonik, Holographie und Neutroneninterferometrie.

Toma Susi befasst sich mit der Transmissionselektronenmikroskopie und -spektroskopie vor allem von Graphen und anderen niedrigdimensionalen Materialien, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der damit verbundenen Modellierung liegt. Seine Forschungsinteressen konzentrieren sich zunehmend auf das Verständnis und die Nutzung fokussierter Elektronenbestrahlung zur Charakterisierung und Manipulation kovalent gebundener Materialien sowie auf die First-Principles-Simulation der Transmissionselektronenmikroskopie.

Untersuchung thermisch, katalytisch und mechanisch induzierter Phasenumwandlungen in funktionellen Nanomaterialien – darunter Formgedächtnislegierungen, Heterostrukturen auf Kohlenstoffbasis, metallische Gläser und intermetallische Verbindungen – unter Einsatz modernster Transmissionselektronenmikroskopie-Verfahren.