Quelle: DLR 27. September 2022.

27. September 2022 – Ganz vereinfacht reichen zwei geladene Teilchen, um die Welt zu erklären: Die Teilchen stoßen sich ab oder ziehen sich an. Das gilt zum Beispiel für ein Ion und ein Elektron. Auf dieser physikalischen Basis bilden sich auch Moleküle und große Festkörper. Jetzt haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Drei-Teilchen-Zustand entdeckt – genauer gesagt: Sie haben ihn in einem speziellen Material berechnet. Die Forschenden vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Technischen Universität Dortmund und dem Los Alamos National Laboratory zeigen auch, wie der Drei-Teilchen-Zustand in einem Experiment nachgewiesen werden kann: mit Röntgenstrahlen. In Zukunft könnte die magnetische Dreiergruppe sogar zu einer Technologie für Quantencomputer wachsen.

„Die Vorhersage dieser Drei-Teilchen-Zustände hat eine fundamentale Bedeutung, weil sich ihre Bindungskraft grundsätzlich von den bisherigen bekannten Mechanismen unterscheidet. Durch die Entdeckung steigt die Wahrscheinlichkeit, dass wir noch exotischere Zustände finden: So könnten sich zum Beispiel ganze Ketten von magnetischen Anregungen formen“, erklärt Dr. Benedikt Fauseweh, Gruppenleiter im DLR-Institut für Softwaretechnologie in Köln. Die Ketten könnten später zu Qubits „verknotet“ werden, den Rechenbausteinen von Quantencomputern. Die Informationen wären in den einzelnen Ketten („Strings“) gespeichert. Und die Rechenoperationen würden dann in den „Knoten“ der Strings durchgeführt. Die Knoten sind in der Quantenwelt außergewöhnlich stabil. Deswegen gelten die sogenannten topologischen Quantencomputer, die auf dieser Grundidee beruhen, als widerstandsfähig gegen äußere Störungen. Das ist ein Vorteil gegenüber anderen Technologien für Quantencomputer.

Neue Erkenntnisse über Quantenmaterialien und Supraleitung möglich
Zwei Jahre haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Berechnung der Drei-Teilchen-Zustände in Hochtemperatur-Supraleitern gearbeitet. Diese Materialklasse basierend auf Kupferoxiden ist erst seit den 1980er Jahren bekannt und hat Eigenschaften, die noch nicht vollständig geklärt sind. Die aktuellen Forschungsergebnisse wurden im Wissenschaftsmagazin Communications Physics veröffentlicht, inklusive einer Anleitung, wie die Zustände praktisch nachgewiesen werden: Durch Experimente mit Röntgenstrahlung sollen die drei aneinander gebundenen Teilchen sichtbar werden. „Die Röntgenstrahlung wird vom Material aufgenommen und überträgt Energie auf die Atome. Wenn dabei ein Drei-Teilchen-Zustand erzeugt wird, ist eine besonders starke Streuung der Strahlung messbar“, sagt Benedikt Fauseweh.

Die Drei-Teilchen-Zustände sind auch für die Grundlagenforschung hochinteressant: Wenn der Nachweis mit Röntgenstrahlen gelingt, wäre das eine vielversprechende experimentelle Möglichkeit, mehr über Quantenmaterialien zu lernen. Gleichzeitig können mögliche Effekte dieser starken Bindung in Hochtemperatur-Supraleitern beobachtet werden. „Spannend wäre es zum Beispiel, wenn die Drei-Teilchen-Zustände einen wichtigen Einfluss auf die Supraleitung und ihre Sprungtemperatur haben“, erklärt Benedikt Fauseweh.

Hochtemperatur-Supraleiter
Supraleiter sind Materialien, die elektrischen Strom ohne jeden Widerstand leiten. Dazu müssen sie unter ihre sehr niedrige „Sprungtemperatur“ gekühlt werden. Unterhalb dieser Temperatur wird ein System von quantenmechanischen Effekten dominiert. Zum Kühlen eignet sich zum Beispiel flüssiges Helium bei -269 Grad Celsius. Hochtemperatur-Supraleiter wurden erstmals 1986 von Johannes Georg Bednorz und Karl Alexander Müller entdeckt. 1987 erhielten die beiden Physiker dafür den Nobelpreis. Hochtemperatur-Supraleiter zeichnen sich durch eine in der Regel sehr viel höhere Sprungtemperatur aus. Sie haben ungewöhnliche Quanteneigenschaften, die sie von konventionellen Supraleitern unterscheiden. Hochtemperatur-Supraleiter gehören zur Klasse der Quantenmaterialien und stehen im Zentrum moderner Festkörperforschung. Der Mechanismus, der zu Supraleitung in diesen Materialien führt, ist bis heute nicht vollständig verstanden. Es ist jedoch bekannt, dass magnetische Anregungen dabei eine wichtige Rolle spielen.

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• DLR

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Quelle: Technische Universität Dortmund 8. September 2022.

8. September 2022 – Der Nachweis ist so spektakulär, dass die Arbeit es in die aktuelle Ausgabe des renommierten Wissenschaftsmagazins Nature geschafft hat. An den Beobachtungen war auch Privatdozent Dr. Dominik Elsässer von der Fakultät Physik der TU Dortmund beteiligt. Er arbeitete für die Datensammlung mit Schüler*innen aus Würzburg zusammen.

Aktive Galaxienkerne gehören zu den leuchtkräftigsten Objekten im Universum. Es handelt sich dabei um extrem helle Zentralbereiche von Galaxien, die aus großen Distanzen beobachtbar sind. Ihre Helligkeit resultiert meist aus den Vorgängen um ein Schwarzes Loch, auf das Materie aus der Umgebung zustürzt. Dabei bilden sich manchmal Plasmaströme aus geladenen Teilchen, sogenannte Jets. Astrophysiker*innen erforschen aktive Galaxienkerne und ihre Jets, da sie vermuten, dass diese Teilchen enorm beschleunigen können und dabei noch viel höhere Energien erreichen als die größten Teilchenbeschleuniger auf der Erde.

Knick im Plasmastrom verursacht Helligkeitsschwankungen
Eine Unterklasse von aktiven Galaxienkernen sind die sogenannten „Blazare“. Ein bekannter Blazar heißt „BL Lacertae“: Diese etwa 900 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie beherbergt ein Schwarzes Loch mit einer Masse, die 170 Millionen Mal größer ist als die unserer Sonne. Bei der Analyse von Daten eines besonderen Helligkeitsausbruchs von BL Lacertae im Jahr 2020 fiel Astronom*innen auf, dass die Helligkeit außergewöhnlich regelmäßig schwankte. Diese quasi-periodischen Oszillationen konnten die Forschenden mit einer Veränderung im Plasma des Jets erklären, einer sogenannten Knick-Instabilität, die das Magnetfeld beeinflusst. Zu den sichtbaren Helligkeitsfluktuationen kommt es, da sich die energiereichen Teilchen im Jet durch genau diesen Knick bewegen.

„Die Knick-Instabilität ist von großer Bedeutung für die Untersuchung von Plasmen. Die Entdeckung im Jet von BL Lacertae ermöglicht nun vollkommen neue Einblicke in diesen kosmischen Teilchenbeschleuniger“, sagt Dr. Dominik Elsässer. Aus diesem Grund wurde die Arbeit vom renommierten Fachmagazin Nature zur Veröffentlichung ausgewählt. Die Publikation entstand im Rahmen des Whole Earth Blazar Telescope Projekts, eines internationalen Konsortiums von Astronom*innen, die speziell Blazare überwachen.

Schüler*innen überwachen Helligkeiten aktiver Galaxienkerne.
Ein Teil der Daten, die zur aktuellen Nature-Veröffentlichung geführt haben, stammt aus einem Kooperationsprojekt zwischen dem Friedrich-Koenig-Gymnasium in Würzburg, dem Lehrstuhl für Astronomie der Universität Würzburg und der Fakultät Physik der TU Dortmund. In einem Schülerlabor werden seit zehn Jahren die Helligkeiten aktiver Galaxienkerne überwacht. Dabei führen die Schüler*innen in über 100 Nächten pro Jahr selbstständig die Messungen durch und werten auch die Daten eigenständig aus. Die wissenschaftliche Leitung des Projekts liegt bei Prof. Karl Mannheim von der Universität Würzburg und Dr. Dominik Elsässer von der TU Dortmund.

Publikation:
Rapid quasi-periodic oscillations in the relativistic jet of BL Lacertae, https://www.nature.com/articles/s41586-022-05038-9

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• Aktive Galaktische Kerne – Quasare – supermassive Schwarze Löcher

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Quelle: Technische Universität Dortmund.

Am Ende der Sommerferien öffnen vom 1. bis 5. August 2022 die Fakultäten der TU Dortmund ihre Hörsäle und Labore für interessierte Schüler*innen ab Klasse 10. Nach zwei Jahren pandemiebedingter Einschränkung können die Teilnehmer*innen im Rahmen der SchnupperUni wieder in Präsenz auf Probe studieren und den Unialltag kennenlernen. Anmeldungen für die SchnupperUni sind ab sofort möglich.

Wie kann man mit Statistik Menschen heilen? Wie sieht die Paketlieferung von morgen aus? Wie verarbeitet das Gehirn visuelle Eindrücke? Diese Fragen werden in verschiedenen Veranstaltungen – von Vorlesungen über Workshops bis zu Laborführungen – beantwortet. Die Schüler*innen können aus über 60 Veranstaltungen im Programm die auswählen, die sie besonders interessieren. Die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik bietet beispielsweise eine Führung durch das Forschungszentrum für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), eine der größten Hochspannungshallen Europas, an. Wie urbane Grünflächen einen wichtigen Beitrag zum Erhalt und zur Förderung der Gesundheit der Bevölkerung leisten, stellt die Fakultät Raumplanung vor. Zudem werden die Teilnehmer*innen eingeladen, als Produktprüfer*innen den Geschmack verschiedener Schokoladensorten zu testen. Auch das Schülerlabor des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt der TU Dortmund (DLR_School_Lab) bietet verschiedene Workshops an wie zum Beispiel „Von der Erde zur ISS – ohne Werkstoffprüfung unmöglich!“, in dem die Teilnehmer*innen erfahren, welche Materialien für Raumfahrzeuge geeignet sind.

Während der gesamten SchnupperUni werden die Studieninteressierten von studentischen Mentor*innen aus verschiedenen Studiengängen betreut. Diese begleiten sie zum Beispiel zu den Veranstaltungen, zeigen ihnen den Campus und beantworten Fragen rund um die Themen Studium und Studienalltag. Zusätzlich werden Informationsveranstaltungen für alle Teilnehmer*innen zu den Themen Studienorientierung, Studienfinanzierung und Studieren im Ausland angeboten.

Anmeldung
Wer teilnehmen möchte, kann sich auf der Homepage der SchnupperUni über das Programm informieren und sich bis zum 8. Juli 2022 online anmelden. Bei der Anmeldung wählen die Studieninteressierten die Veranstaltungen aus, an denen sie teilnehmen möchten. Zu Beginn der SchnupperUni erhalten sie einen individuellen Stundenplan für die SchnupperUni-Tage. Die Teilnahme ist für alle Schüler*innen kostenlos.

Weitere Informationen und Anmeldung
https://www.tu-dortmund.de/studieninteressierte/studienorientierung/schnupperuni/

Über die Technische Universität Dortmund
Die Technische Universität Dortmund ist eine dynamische forschungsorientierte Universität mit 17 Fakultäten in den Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie Gesellschafts- und Kulturwissenschaften. Die Universität zählt rund 32.400 Studierende und 6.700 Mitarbeiter*innen, darunter etwa 300 Professor*innen. Das Lehrangebot umfasst rund 80 Studiengänge. In der Forschung ist die TU Dortmund in vier Profilbereichen besonders stark aufgestellt: (1) Material, Produktionstechnologie und Logistik, (2) Chemische Biologie, Wirkstoffe und Verfahrenstechnik, (3) Datenanalyse, Modellbildung und Simulation sowie (4) Bildung, Schule und Inklusion. Aufgrund ihrer vorbildlichen Transferstrategie wird die TU Dortmund im „Gründungsradar 2020“ in der Spitzengruppe der großen Hochschulen gelistet. Bis zu ihrem 50. Geburtstag belegte die TU Dortmund beim QS-Ranking „Top 50 under 50“ Rang drei der bundesdeutschen Neugründungen.

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Quelle: TU Dortmund.

19. April 2022 – Es handelt sich dabei um die erste Nova, bei der solch energiereiche Strahlungen nachgewiesen wurden. Das Ereignis könnte neue Erkenntnisse über diese Art von Explosionen und die mögliche Rolle liefern, die sie bei der Erzeugung der mysteriösen hochenergetischen kosmischen Strahlung spielen, die unsere Milchstraße durchdringt. Die Ergebnisse der Forscher*innen wurden jüngst in der renommierten Fachzeitschrift Nature Astronomy publiziert.

Wenn ein Stern stirbt, dehnt er sich zunächst zu einem Roten Riesenstern aus und kollabiert dann zu einer Sternenleiche, einem Weißen Zwerg. Dieser besteht aus einem sehr dichten Material: ein Teelöffel davon würde etwa eine Tonne wiegen. Unter bestimmten Umständen können diese Sternleichen noch einmal gigantische Explosionen hervorrufen: Wenn der Weiße Zwerg einen Begleiter hat, der seinerseits in die Phase des Roten Riesen übergeht, kann der Wasserstoff aus den ausgedehnten äußeren Schichten des Riesen der enormen Anziehungskraft des dichten Zwergs erliegen und sich auf dessen Oberfläche ansammeln. Der „tote“ Stern entzieht dem aktiven Stern also Gas und wird deshalb auch „Vampirstern“ genannt. Vereinzelt kann es in solchen Systemen sogar zu Kernexplosionen auf der Oberfläche kommen, die einen Großteil des Wasserstoffs und der Fusionsprodukte ins All schleudern. Da die Explosion extrem hell ist, wird der Vorgang auch „stella nova“ (neuer Stern, kurz „Nova“) genannt. In manchen Fällen wiederholt sich der Gastransfer und damit auch der Nova-Ausbruch. Das wird als wiederkehrende Nova bezeichnet.

Extrem energiereiche Gammastrahlen
Eine dieser wiederkehrenden Novae ist das Objekt RS Ophiuchi in unserer Milchstraße, für das die nächste Explosion im vergangenen Jahr erwartet worden war. Am 8. August 2021 konnten Teleskope dann tatsächlich das Licht der Explosion entdecken. Einen Tag später richteten Astronom*innen der MAGIC-Kollaboration, einem internationalen Zusammenschluss von rund 160 Wissenschaftler*innen, ihre Teleskope auf die laufende Eruption aus. Bei den Teleskopen handelt es sich um ein System aus zwei bildgebenden Luft-Tscherenkov-Teleskopen mit 17 m Durchmesser. Dank der guten Beobachtungsbedingungen auf La Palma und der einzigartigen Empfindlichkeit des MAGIC-Systems konnten bei der Nova extrem energiereiche Gammastrahlen nachgewiesen werden, die auf Beschleunigungen von Protonen zurückgeführt werden konnten. „Die Beobachtung von Himmelsobjekten bei derartig großen Energien öffnet einzigartige Fenster ins extreme Universum. Wir können so die Prozesse, bei denen im Universum Teilchen auf Energien beschleunigt werden, die deutlich größer sind als in irdischen Experimenten, im Detail studieren“, erklärt Dr. Dominik Elsässer von der Fakultät Physik und Mitglied im Lenkungsausschuss der MAGIC-Kollaboration.

Novaausbrüche sind für sich genommen weniger energiereich als ihre Schwestern – Supernovae, bei denen ein ganzer Stern in einer Explosion zerrissen wird – kommen aber viel häufiger vor. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Großteil der hochenergetischen kosmischen Strahlung, die die Milchstraße durchdringt, zwar wahrscheinlich aus anderen Quellen stammt, dass aber Novae anscheinend überraschend effizient lokale Regionen mit einer Überdichte an kosmischer Strahlung in ihrer Nachbarschaft erzeugen. Um solche explosiven Ereignisse vollständig zu verstehen, sind weitere Beobachtungen erforderlich. Die Arbeitsgruppen an der TU Dortmund beteiligen sich daran insbesondere mit Detektorsimulationen sowie der Entwicklung von intelligenter Analysesoftware. Seit Januar 2022 widmen sich außerdem Forschende der TU Dortmund, der Ruhr-Uni Bochum und der Universität Wuppertal im Sonderforschungsbereich (SFB) 1491 dem Verständnis der Vorgänge bei der kosmischen Wechselwirkung von verschiedenen Materieformen. „Erst das interdisziplinäre Zusammenspiel aus Teilchenphysik, Astrophysik, Plasmaphysik und Datenwissenschaften macht fundamentale Durchbrüche möglich“, sagt Prof. Wolfgang Rhode, Professor für Astroteilchenphysik an der TU Dortmund und Co-Sprecher des SFB 1491.

Originalpublikation:
Proton acceleration in thermonuclear nova explosions revealed by gamma rays
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01640-z
DOI: 10.1038/s41550-022-01640-z

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Quelle: TU Dortmund.

3. November 2021 – An der Schnittstelle von Astronomie und Datenwissenschaften startet das nordrhein-westfälische Verbundprojekt, an dem Physiker*innen der TU Dortmund maßgeblich beteiligt sind. Auf der Suche nach fernen Galaxien und schwarzen Löchern sammeln Radioteleskope eine immer größer werdende Menge von Daten. Diese Datenflut soll künftig mit Künstlicher Intelligenz und Maschinellem Lernen noch effizienter analysiert werden können. Hierzu haben sich acht Institutionen in NRW unter Federführung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn zum NRW-Cluster für datenintensive Radioastronomie: Big Bang to Big Data zusammengeschlossen.

Das Team der TU Dortmund um die beiden Physiker Prof. Wolfgang Rhode und Dr. Dominik Elsässer leitet im Projekt den Bereich Datenwissenschaften. „An der TU Dortmund profitieren wir bereits von einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen physikalischer Grundlagenforschung und Informatik“, sagt Dr. Dominik Elsässer. „Auch das NRW-Verbundprojekt B3D setzt auf gewachsenen Strukturen auf, verknüpft landesweit Expert*innen und trägt somit dazu bei, dieses zukunftsweisende Forschungsgebiet in NRW zu stärken.“

Weitere Informationen:
htthttps://www.b3d.nrw/

Über die TU Dortmund:
Die Technische Universität Dortmund hat seit ihrer Gründung vor 53 Jahren ein besonderes Profil gewonnen, mit 17 Fakultäten in Natur- und Ingenieurwissenschaften, Gesellschafts- und Kulturwissenschaften. Die Universität zählt rund 32.000 Studierende und 6.700 Mitarbeiterinnen, darunter etwa 300 Professorinnen. Das Lehrangebot umfasst rund 80 Studiengänge. In der Forschung ist die TU Dortmund in vier Profilbereichen besonders stark aufgestellt: (1) Material, Produktionstechnologie und Logistik, (2) Chemische Biologie, Wirkstoffe und Verfahrenstechnik, (3) Datenanalyse, Modellbildung und Simulation sowie (4) Bildung, Schule und Inklusion. Aufgrund ihrer vorbildlichen Transferstrategie wird die TU Dortmund im „Gründungsradar 2020″ in der Spitzengruppe der großen Hochschulen gelistet. Bis zu ihrem 50. Geburtstag belegte die TU Dortmund beim QS-Ranking „Top 50 under 50″ Rang drei der bundesdeutschen Neugründungen.

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• Radioastronomie

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