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Europäische Förderung: ERC Consolidator Grants für Physik, Mathematik und Lebenswissenschaften

Spitzenforschung vom Nanodraht bis zur Supernova

Illustration von Nanodrähten (blau), die Teil eines integrierten photonischen und quantenoptischen Schaltkreises sind.
In seinem ERC-Projekt wird PD Dr. Gregor Koblmüller Nanodrähte aus Halbleiter-Material entwickeln, die in integrierten photonischen und quantenoptischen Schaltkreisen zum Einsatz kommen könnten. (Bild: Chris Hohmann / NIM)

Forschung

Fünf neue Forschungsvorhaben aus der Technischen Universität München (TUM) haben aktuell den Europäischen Forschungsrat (ERC) überzeugt und werden mit sogenannten Consolidator Grants gefördert. Die Projekte stammen aus den Bereichen Nanowissenschaften, Festkörperphysik, Molekularbiologie, Arithmetischer Geometrie bzw. Kosmologie.

Um die hochdotierten ERC Consolidator Grants können sich Forscherinnen und Forscher bewerben, deren Promotion sieben bis zwölf Jahre zurückliegt. Die Projekte werden vom ERC mit jeweils bis zu zwei Millionen Euro gefördert. Bereits im August wurden sechs TUM-Angehörige jeweils mit einem ERC Starting Grant ausgezeichnet. Durch die Consolidator Grants steigt die Zahl der ERC-Grants an der TUM auf 84.

Privatdozent Dr. Gregor Koblmüller (Physik)

In seinem ERC-geförderten Forschungsprojekt „Quantum Nanowire Integrated Photonic Circuits“, kurz: QUANtIC, will Privatdozent Dr. Gregor Koblmüller Nanodraht-Strukturen aus Halbleitermaterial entwickeln, die etwa tausend Mal feiner sind als ein menschliches Haar. Diese Nanostrukturen sind optische Wellenleiter und zugleich so dünn, dass ihre physikalischen Eigenschaften von Quanteneffekten bestimmt werden. Nano-Drähte lassen sich nutzen, um winzige drahtförmige Lichtquellen wie Nanolaser und Einzelphotonen-Emitter mit gezielten Eigenschaften direkt auf Halbleiterchips anzubringen. Solche Lichtquellen können direkt an integrierte photonische und quantenoptische Schaltkreise gekoppelt werden. Das würde die Entwicklung von hochintegrierten Technologien in der Chip-basierten Licht-Prozessierung, der Quanten-Kommunikation und der „Lab-on-Chip-Sensorik“ ermöglichen.

Gregor Koblmüller forscht seit 2009 am Physik-Department und am Walter-Schottky-Institut der TUM. Er ist außerdem Mitglied im Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM). 2016 habilitierte er sich an der TUM mit dem Thema „Halbleiter-Nanodrähte“. Seine Arbeit wurde unter anderem mit dem Arnold-Sommerfeld-Preis der Bayerischen Akademie der Wissenschaften ausgezeichnet.

Prof. Dr. Frank Pollmann (Physik)

Materie tritt in verschiedenen Phasen auf, beispielsweise kann Wasser je nach Temperatur und Druck fest, flüssig oder gasförmig sein. Darüber hinaus existieren jedoch zahlreiche weitere Phasen, in denen das Wechselspiel von Quantenfluktuationen und Wechselwirkung zwischen Elektronen für faszinierende Eigenschaften sorgt – in Supraleitern fließt elektrischer Strom dadurch beispielsweise verlustfrei. Diese Phasen treten in der Regel nur bei niedrigen Temperaturen auf.

Der Forschungsschwerpunkt von Prof. Frank Pollmann liegt auf sogenannten topologischen Phasen, die in Zukunft als Bausteine für Quantencomputer dienen könnten. Als theoretischer Physiker beschäftigt sich Pollmann unter anderem mit der Vorhersage und Klassifizierung von bislang unbekannten Phasen der Materie. In seinem Projekt DYNACQM, das durch den Consolidator Grant ermöglicht wird, will er einen Schritt weitergehen: Es sollen konkrete dynamische Eigenschaften solcher Phasen vorhergesagt und in Modellsystemen simuliert werden. So ließe sich beispielsweise feststellen, welche Materialien sich besonders eignen, um „exotische Phasen“ in technologischen Anwendungen zu realisieren.

Frank Pollmann ist Professor für Theoretische Festkörperphysik an der TUM. Seine Arbeiten wurden unter anderem mit dem Walter-Schottky-Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft ausgezeichnet. Auch er ist Mitglied im Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM).

Prof. Dr. Sherry Suyu (Physik)

Der sogenannte „starke Gravitationslinseneffekt“ tritt auf, wenn eine größere Massenkonzentration, beispielsweise ein Galaxienhaufen, zwischen der Erde und einem beobachteten Objekt in einer weit entfernten Galaxie liegt. Die Massenkonzentration wirkt wie eine Linse: Lichtstrahlen, die sie auf unterschiedlichen Seiten passieren, werden abgelenkt, so dass mehrere Bilder derselben Quelle entstehen.

In ihrem ERC-geförderten Projekt LENSNOVA wird sich Prof. Sherry Suyu diesen Effekt zunutze machen. Untersucht man Phänomene wie Supernovae, erscheint der Lichtblitz in den Mehrfachbildern aufgrund der unterschiedlichen optischen Pfadlängen ihrer Lichtwege und der Gravitationsverzögerung durch die Linse zu unterschiedlichen Zeiten. Diese Verzögerung enthält wertvolle Informationen über die Geometrie des Universums. Außerdem wird es durch den Gravitationslinseneffekt sogar möglich, auch die Anfänge einer Supernova-Explosion zu studieren. Auf diese Weise hofft man, mehr über die Vorläufer sogenannter Supernovae vom Typ-Ia ebenso wie über Dunkle Energie zu erfahren.

Sherry Suyu ist Professorin für Beobachtende Kosmologie an der TUM und Forschungsgruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Astrophysik. Die Doppelmitgliedschaft wird durch das MaxPlanck@TUM-Programm ermöglicht.

Prof. Dr. Eva Viehmann (Mathematik)

Vor ungefähr 40 Jahren stellte der kanadische Mathematiker Robert Langlands eine Reihe von mathematischen Vermutungen auf, die heute als "Langlands-Programm" bekannt sind. Nur ein Teil dieser Vermutungen, die Zahlen- und Darstellungstheorie verbinden, ist bislang bewiesen.

Das Arbeitsgebiet von Prof. Eva Viehmann lässt sich diesem Programm zuordnen. Im Rahmen ihres ERC-geförderten Projekts NewtonStrat beschäftigt sie sich mit den sogenannten Shimura-Varietäten. Diese geometrischen Objekte werden in der Mathematik schon länger genutzt, um dem Langlands-Programm zugrundeliegende Konzepte zu erforschen. Prof. Viehmann studiert Shimura-Varietäten jedoch nicht direkt, sondern mithilfe von Newtonstrata. Diese bilden eine Zerlegung von Shimura-Varietäten in endlich viele Teile. Die Untersuchung dieser Strata hat kürzlich neue Impulse erhalten, aus der Darstellungstheorie ebenso wie aus der Theorie sogenannter adischer Räume. Deshalb erwartet Prof. Viehmann, in den nächsten Jahren sowohl die Geometrie von Newtonstrata beschreiben als auch neue Erkenntnisse für das Langlands-Programm gewinnen zu können.

Eva Viehmann ist seit 2012 Inhaberin des Lehrstuhls Arithmetische Geometrie an der TUM. Ihre Arbeit wurde unter anderem mit einem Heisenberg-Stipendium der Deutschen Forschungsgemeinschaft und mit einem ERC Starting Grant gefördert.

Prof. Dr. Dietmar Zehn (Lebenswissenschaften)

Zytotoxische T-Zellen schützen gegen virale und bakterielle Infektionen, indem sie infizierte Zellen entfernen. Meist führen die Zellen diese Funktion sehr effizient aus, doch es gibt Ausnahmen:  Bei Infektionen mit Hepatitis B und C und auch bei HIV-Infektionen ist die Funktion zytotoxischer T-Zellen typischerweise stark vermindert. Ähnliche Einschränkungen gibt es bei Immunantworten, die sich gegen bösartige Tumore richten.

Prof. Dietmar Zehn will in seinem Consolidator-Grant-geförderten Projekt ToCCaTa zu einem besseren Verständnis der molekularen Grundlagen beitragen, die die Differenzierung zytotoxischer T-Zellen bedingen. Zentrale Fragen sind dabei: Durch welche Mechanismen werden schützende Immunantworten aufgebaut und wie können diese – etwa durch Impfungen – besser künstlich hervorgerufen werden? Wann und wie entstehen Gedächtniszellen, die für einen langfristigen Schutz sorgen, und wodurch kommt es zu einer Reduktion des immunologischen Schutzes in chronischen Infektionen und Tumoren? Die gewonnenen Erkenntnisse sollen in Zukunft dabei helfen, eine bestimmte Form der T-Zellen, die CD8-T-Zellen, so zu beeinflussen und mit den entsprechenden Eigenschaften auszustatten, dass sie effizienter als bisher für therapeutische und prophylaktische Zwecke verwendet werden können.

Dietmar Zehn ist seit 2015 Inhaber des Lehrstuhls für Tierphysiologie und Immunologie am Wissenschaftszentrum Weihenstephan der TUM. Seine Forschung wurde bereits 2013 mit einem Starting Grant des ERC gefördert.