Mit diesem Preis würdigen die Stiftung und das Institut für Physik Andreas Wehs herausragenden theoretischen Untersuchungen der Gleichgewichts- und der Transporteigenschaften stark wechselwirkender elektronischer Modellsysteme. Insbesondere untersuchte er das Zusammenspiel von starken Korrelationen und der in Heterostrukturen oder durch strukturelle Unordnung im Volumen gebrochenen Translationsinvarianz. Die Kombination von starker Wechselwirkung und der durch die Geometrie der betrachteten Systeme oder Defekte eingeschränkten Bewegung der Ladungsträger erforderte die Anwendung modernster theoretische-numerischer Methoden, daher war ein wesentlicher Teil der Arbeiten auch der Weiterentwicklung dieser Methoden gewidmet. Unter anderem gelang es Herrn Weh subtile Effekte in der Spin-aufgelösten Zustandsdichte aufzuklären, wobei die Materialklasse der halbmetallischen Systeme, die ein hohes Anwendungspotential haben, eine zentrale Rolle spielte. Mit seiner Dissertation, die durch ihre ungewöhnliche thematische und methodische Breite beeindruckt, hat Herr Weh das Gebiet der stark korrelierten inhomogenen oder ungeordneten elektronischen Systeme nachhaltig geprägt.

 

Abbildung: Effect of electronic correlations in half-metallic ferromagnets in bulk and at interfaces.

 

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Mit diesem Preis würdigen die Stiftung und das Institut für Physik Romy Ettlingers exzellente Forschungsarbeiten an der Schnittstelle zwischen Physik, chemischen Materialwissenschaften und Medizin. Im Zentrum ihrer Forschung stehen neuartige therapeutisch wirksame Trägermaterialien zum vaskulären Transport von Arsentrioxid. Obwohl Arsentrioxid schon seit längerer Zeit zur Behandlung von Leukämien erfolgreich eingesetzt wird, zeigen Studien mit soliden Tumorentitäten negative Resultate aufgrund eines zu niedrigen Medikamentenspiegels in den Zielzellen. Um die Medikamentenverfügbarkeit von Arsentrioxid zu verbessern, hat Frau Ettlinger die Verwendung von Metall-organischen Gerüstverbindungen (engl. metal-organic frameworks, MOFs) als Trägermaterialien vorgeschlagen. Für ihre Studien hat sie exemplarisch drei MOF-Gerüststrukturen ausgewählt und deren Eignung als Wirkstoff-Trägermaterialien von Arsentrioxid erforscht. Ihre Studien belegen, dass MOFs sich hervorragend für den sicheren Transport von hochtoxischen Wirkstoffen wie Arsentrioxid über den Blutstrom eignen. Diese Erkenntnisse bringen das bestehende Wissen der Krebsforschung einen großen Schritt voran und stellen einen äußerst wichtigen Fortschritt bei der Entwicklung dringend benötigter alternativer Therapien für Patienten mit Krebserkrankungen dar.

 

Abbildung: Schematische Darstellung verschiedener Metall-organischer Gerüststrukturen (MFU-4l, MOF-74 und ZIF-8) und ihre Beladung mit hochtoxischem Arsentrioxid für solide Tumorentitäten als sichere Wirkstoff-Trägermaterialien.

 

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Der Professor Erich Krautz-Preis des Jahres 2020 wird Dr. Matthias Weiß verliehen. Damit würdigen die Stiftung und das Institut für Physik seine exzellenten Forschungsarbeiten an der Schnittstelle zwischen moderner Festkörper-, Nano- und Quantenphysik. Ins Zentrum seiner Forschung stellte Matthias Weiß die fundamentale Kopplung von Licht, Schall und Materie auf der Nanoskala. Mit großem experimentellem Geschick gelang es ihm, die „drei Elementarteilchen“ der Festkörperphysik, Elektronen, Photonen und Phononen gezielt in Wechselwirkung zu bringen. Hierzu „mischte“ er Photonen eines Lasers und Phononen einer akustischen Oberflächenwelle mit Hilfe eines „künstlichen Atom“, einem sogenannten Quantenpunkt. Diese präzise Mischung führt zu einer exakt programmierbaren gequantelten Änderung der Farbe der abgestrahlten einzelnen Photonen.

Abbildung: Das Licht eines Lasers (grün) wird durch ein künstliches Atom mit der Schallwelle gemischt. So wird die Farbe der abgestrahlten Lichtquanten (rot und blau) mit höchster Präzision verändert.

 

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Mit diesem Preis würdigen die Stiftung und das Institut für Physik seine exzellenten Forschungsarbeiten, die einen grundlegenden Beitrag in der chemischen Katalyse darstellen. Dabei stand die druckinduzierte und metallkatalysierte Aktivierung von C-H Bindungen, die als Schlüsselschritt in vielen großtechnischen Prozessen (z.B. Polymerisierung von Olefinen) eine entscheidende Rolle spielt, im zentralen Fokus seiner Studien. Aufgrund des relativ inerten Charakters unpolarer C-H Bindungen ist diese Bindungsaktivierung schwierig zu bewerkstelligen und wird deshalb in der Literatur häufig als „der heilige Gral“ der metallorganischen Chemie bezeichnet. Herr Dr. Schmitz hat somit auf diesem sehr aktiven und äußerst kompetitiven Forschungsgebiet der Chemischen Physik beeindruckende Pionierarbeit geleistet, die es künftig ermöglichen wird, die mikroskopischen Kontrollparameter der C-H Bindungsaktivierung unter in-situ Bedingungen analysieren zu können.

Abbildung: Druckabhängige IR-Spektren eines Platinkomplexes mit koordinierendem Chloroformliganden, der eine aktivierte C-H Bindung aufweist. Die Streckmode dieser metallverbrückenden C-H Bindung weist zwischen Normaldruck und 3,4(1) GPa eine Rotverschiebung auf, die mit einer druckinduzierten Bindungsaktivierung einhergeht.

 

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Der Preisträger für das Jahr 2018 ist Alexander Geiseler. Damit würdigen die Stiftung und das Institut für Physik seine exzellenten Forschungsarbeiten, die einen richtungsweisenden Beitrag auf dem Gebiet des Transports selbstangetriebener Brown’scher Teilchen (sogenannter artificial microswimmers) darstellen. Da deren Bewegung zwar „aktiv“, aber in ihrer Richtung primär rein zufällig ist, ist die Steuerung selbstangetriebener Brown’scher Teilchen derzeit ein großes Suchfeld im Hinblick auf deren Einsatz in der Nanorobotik, z. B. als Wirkstofftransporteur für verschiedene biologisch-medizinische Aufgaben.

Abbildung: Teilchendrift v_x als Funktion der Breite L und der Geschwindigkeit u der Aktivierungspulse. Für langsame und breite Pulse schwimmen die Teilchen entgegen der Ausbreitungsrichtung der Pulse, während sie sich für schnelle oder schmale Pulse mit diesen fortbewegen.

 

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Der Professor Erich Krautz-Preis 2017 geht an Dr. Birgit Hebler für ihre mit "summa cum laude" bewertete Dissertation "Kopplungsphänomene in ferri- und ferromagnetischen Heterostrukturen". Im Rahmen ihrer Arbeit hat die Preisträgerin  eine systematische Analyse von magnetischen Kopplungssystemen mit einer senkrecht zur Filmebene orientierten Magnetisierungsachse bestehend aus ferri- und ferromagnetischen Schichten durchgeführt.

Abbildung: Die in positive und negative Feldrichtung verschobenen Teil-Hysteresen einer Tb₁₈Fe₈₁(10nm)/Tb₃₆Fe₆₄(10nm) Heterostruktur aufgenommen bei 130 K (aus B. Hebler et al., Phys. Rev. B 95, 104410 (2017)).

 

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Bernhard Fichtl's preisgekrönte Dissertation ist von der Idee inspiriert, dass biologische Grenzschichten, wie zum Beispiel Zellmembranen, die das Grundgerüst allen Lebens bilden, weit mehr sind als semipermeable Barrieren: Sie stellen ein unabhängiges thermodynamisches System dar, das auf Störungen seiner Umgebung mit statischen und dynamischen Zustandsänderungen reagiert. Da ein Großteil der Enzyme in der Natur nicht frei vorliegt, sondern in die Membranen eingebettet ist, stellt sich die Frage, welche Rolle die physikalischen Eigenschaften dieser Grenzflächen für die biochemischen Prozesse der Zelle und damit für das Leben selbst spielen.

Low-dimensional quantum magnets provide unique possibilities to study ground and excited states of quantum models, to explore new phases of quantum matter, and to investigate the interplay of quantum and thermal fluctuations. In his dissertation entitled "Terahertz and Infrared Spectroscopy on Low-Dimensional Quantum Magnets", Zhe Wang has studied quantum phase transitions and quantum spin dynamics, and its interplay with lattice and orbital degrees of freedom, in a variety of low-dimensional quantum spin systems in static and pulsed high magnetic fields up to 60 Tesla.

In seiner Dissertation mit dem Titel "Nichtlineare dielektrische Spektroskopie zum Nachweis von Kooperativität und Heterogenität in glasbildenden Flüssigkeiten" hat Thomas Bauer dielektrische Experimente bei extrem hohen Spannungen durchgeführt, um nichtlineare Beiträge zur dielektrischen Permittivität am Glasübergang zu bestimmen. Nach theoretischen Vorhersagen erlauben nichtlineare Suszeptibilitäten Aussagen zu kritischen Längenskalen am Glasübergang, die experimentell sonst sehr schwer oder gar nicht zugänglich sind. Es ist Herrn Bauer gelungen, durch höchste Experimentierkunst und Originalität der Messungen nichtlineare dielektrische Experimente mit bisher nicht erreichbarer Präzision durchzuführen. Damit gelang ihm unter anderem der Nachweis des theoretisch vermuteten Zusammenhangs von intermolekularen Korrelationen, d. h. gemeinsame Teilchenbewegung, mit der Viskosität am Glasübergang (siehe Schaubild).

 

Abbildung: Mit sinkender Temperatur gibt es immer größere Bereiche (farbig markiert) in der glasbildenden Flüssigkeit, in denen sich die Teilchen gemeinsam bewegen. Dadurch erhöht sich die Viskosität kontinuierlich.

Mit der Verleihung des Krautz-Preises würdigen die Stiftung der Universität Augsburg und das Institut für Physik Manuel Presnitz' herausragende Dissertationsarbeit, in der in beeindruckender Weise seine umfangreichen "Untersuchungen an Materialien mit niederdimensionalen Eigenschaften" zusammengefasst sind. Der Fokus der Arbeit war die Bestimmung und Analyse der elektronischen und magnetischen Strukturen niederdimensionaler Hybridmaterialien wie (i) metallorganische Perowskite und (ii) Dichalcogenide sowie (iii) molekulare anorganische Radikale. Ziel war es, ein besseres Verständnis darüber zu erlangen, wie sich multi-funktionelle Materialeigenschaften in Hybridmaterialien durch eine Reduktion der Dimensionalität systematisch generieren lassen und welche physikalischen und chemischen Kontrollparameter dabei die entscheidende Rolle spielen. Als Beispiel ist die Struktur von polymerem Methyltrioxorhenium (MTO) im unteren Bild dargestellt.

 

Manuel Presnitz hat sowohl sowohl detaillierte theoretische als auch hoch-präzise experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Mithilfe aufwändiger Rechnungen auf der Basis der Dichtefunktionaltheorie war es z. B. für MTO und poly-MTO möglich, den zweidimensionalen Charakter der elektronischen Eigenschaften zu identifizieren.

 

Seine magnetischen Studien zu den magnetischen Eigenschaften des Diradikals (CNSSS)₂
[5,5'-Bis-(1,2,3,4-trithiazolium)] verknüpfen experimentelle ESR- und Magnetometermessungen mit verschiedenen quantenchemischen Modellen und führen schließlich zur Entwicklung eines Spinmodells für das Diradikal in verschiedenen Festkörpermatrizen. Mit umfangreichen Instrumentier- und Programmierarbeiten an einem kommerziellen SQUID-Magnetometer hat er außerdem die Voraussetzungen zur Untersuchung der supraleitenden Eigenschaften metall-organischer Interkalationsverbindungen, wofür außerordentlich präzise magnetische Messungen bei sehr kleinen und verlässlich reproduzierbaren Magnetfeldern (B ≤ 200 G) nötig sind, geschaffen.

Mit der Verleihung des Krautz-Preises würdigen die Stiftung der Universität Augsburg und das Institut für Physik Julia Kraus' systematische und umfassende Untersuchungen der physikalischen und strukturellen Eigenschaften organischer Heterostruktursolarzellen.

 

Die Herausforderung bei organischen Halbleitern für Anwendungen in der Photovoltaik liegt in der exzitonischen Natur der optischen Anregungszustände. Daher ist für eine effiziente Ladungstrennung die Kombination von zwei Komponenten mit unterschiedlichen Elektronenaffinitäten und Ionisationspotentialen - einem Elektronendonor und einem Elektronenakzeptor - notwendig. Gleichzeitig muss diese D/A-Grenzfläche innerhalb der Lebensdauer der Exzitonen erreicht werden, was insbesondere bei Exzitonendiffusionslängen im Nanometerbereich gewisse Herausforderungen an die Schichtmorpologie eines derartigen Heteroübergangs mit sich bringt. Vor allem bei aus der Lösung aufgebrachten Polymerschichten hat sich dabei das Konzept der Volumenmischung durchgesetzt, bei molekularen Materialien, wie sie von Frau Kraus untersucht wurden, ist das Rennen zwischen beiden Konzepten - Mischung und planarer Heteroübergang - im Hinblick auf den Wirkungsgrad der Zellen derzeit noch offen.

 

Gerade vor diesem Hintergrund haben die Untersuchungen von Julia Kraus sowohl im Hinblick auf die Entwicklung eines besseren Verständnisses für die physikalischen Prozesse sowie die Maßschneiderung organischer Heterostrukturen zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Bauelemente eine sehr große Bedeutung. Ihre Herangehensweise ist dabei sehr systematisch und gleichzeitig umfassend. An Hand eines prototypischen Modellsystems bestehend aus dem molekularen Donor Diindenoperylen und dem Fulleren C60, die in dieser Kombination erstmals eingesetzt wurden, entwickelt sie ein ganzheitliches Verständnis aller relevanten Grenzflächen in einem derartigen Bauelement. Von besonderer Bedeutung ist natürlich die aktive Donor-Akzeptor-Grenzfläche; daneben werden aber auch beide Elektrodengrenzflächen sowie der Volumentransport durch den organischen Halbleiter untersucht.

 

Referenz:

• J. Wagner et al., Adv. Funct. Mater. (2010)

Mit der Verleihung des Krautz-Preises würdigen die Stiftung der Universität Augsburg und das Institut für Physik Markus Sause's hervorragenden Forschungsarbeiten, die einen grundlegenden Beitrag für das Feld der Schallemissionsanalyse liefert und insbesondere bahnbrechend für Erforschung der Schallemission von faserverstärkten Materialien ist.

 

Entscheidend für die Verbesserung von hybriden Materialien, wie z. B. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), ist die Entwicklung neuer Materialien, Bauweisen und Fertigungstechnologien. Das volle Potential lässt sich dabei aber nur ausspielen, wenn eine gesicherte Versagensvorhersage getroffen werden kann. Hier bietet die Schallemissionsanalyse einzigartige Möglichkeiten, um während der Belastung eines Bauteils eine Aussage über den Schädigungsfortschritt zu treffen.

 

 

Für diesen Zweck hat Markus Sause auf experimenteller Seite methodische Verfahren entwickelt, um eine Unterscheidung bestimmter Versagensmechanismen zu ermöglichen. Im Rahmen der Arbeit wurde ein neuer Ansatz für parameterbasierte Mustererkennung erarbeitet und in der Anwendung auf Faserverbundwerkstoffe etabliert. Hierbei wird in einem automatisierten Prozess ein Bewertungsschema durchlaufen, welches ohne vorherige Annahmen über die Struktur des Datensatz eine optimale Einteilung der Signale vornimmt. Dadurch können im nächsten Schritt diese Signalklassen durch Verwendung von Mikroskopie oder Finite-Elemente-Simulationen mit bestimmten Schadensmechanismen in Faserverbundwerkstoffen korreliert werden. Dazu werden erstmalig innerhalb eines eigens entwickelten Softwareprogramms gemittelte Frequenz-Zeit Diagramme errechnet und für die Korrelation verwendet.

 

Um ein tiefergehendes Verständnis der Aussagekraft von akustischen Wellen über die Vorgänge im Material zu erreichen, wurden innerhalb der Dissertation auch neue Ansätze zur Modellierung von Schallemissionsquellen verfolgt.

Für den Krautz-Preis nominiert wurde Martin Eckstein für seine herausragenden theoretischen Untersuchungen von stark korrelierten Modellsystemen außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts. Unter anderem untersuchte er anhand des Hubbard-Modells, wie sich Vielteilchensysteme zeitlich entwickeln, wenn zum Beispiel die Wechselwirkung zu einen bestimmten Zeitpunkt "eingeschaltet" wird. Seine im Jahr 2009 abgeschlossene Dissertation mit dem Titel "Theory of correlated systems out of equilibrium" wurde mit der Bestnote "summa cum laude" bewertet, ebenso seine Leistung in der mündlichen Prüfung. "Es ist selten, dass ein junger Theoretiker mit derartiger Originalität und technischem Können in theoretisch-physikalisches Neuland vordringt", so die Einschätzung seines Betreuers, Prof. Dr. Dieter Vollhardt.

 

Dr. Stefan Paetel (geb. Thiel), Jahrgang 1979, hat von 1999 bis 2004 an der Universität Augsburg Physik studiert. Das Thema seiner am Lehrstuhl für Experimentalphysik VI geschriebenen Diplomarbeit waren „Transport Measurements on Oxide Heterostructures“. Während seiner anschließenden Tätigkeit als Wissenschaftlicher Angestellter am Lehrstuhl für Experimentalphysik VI entstand zwischen 2005 und 2008 seine Doktorarbeit mit dem Titel „Study of Interface Properties in LaAlO₃/SrTiO₃ Heterostructures“. 2007 erhielt Paetel den THIOX Award der European Science Foundation für ausgezeichnete Forschung im Bereich der Elektronengase in oxidischen Heterostrukturen.
Seit Oktober 2009 arbeitet er am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Stuttgart, wo er Möglichkeiten der Optimierung von Solarzellen erforscht.

 

Die Augsburger Universitätsstiftung und das Institut für Physik würdigen mit dieser Auszeichnung Paetels „Aufsehen erregende Leistungen zur Erforschung zweidimensionaler Elektronensysteme in oxidischen Heterostrukturen“. Konkret ist es Paetel in seiner summa cum laude-Dissertation gelungen, mit atomarer Präzision Schichten aus Isolatoren so zu stapeln, dass an der Grenzfläche leitfähige, zweidimensionale Elektronensysteme mit neuen elektronischen Eigenschaften entstehen. Er konnte diese Systeme strukturieren, ihre Eigenschaften messen und damit entscheidende Fortschritte beim Verständnis der Funktion der neuen Elektronensysteme erzielen.

Für den Krautz-Preis nominiert wurde Jörn Dunkel „nicht nur auf Grund seiner höchst anspruchsvollen und einmalig beeindruckenden Leistung im Rahmen seiner summa cum laude-Promotion mit dem Titel »Relativistic Brownian Motion and Diffusion Processes« sondern auch auf Grund seines breiten Wissens in vielen anderen aktuellen Gebieten der theoretischen Physik, wegen seiner integeren Persönlichkeit und wegen seines Ausnahmepotentials als zukünftiger Forscher und Hochschullehrer. Dunkel verfüge über ein sehr tiefes Verständnis für komplexe physikalische Zusammenhänge und zugleich über ein umfangreiches mathematisches Können und Wissen, das nötig sei, um diese herausfordernden Fragestellungen zur relativistischen Brownschen Bewegung und relativistischen Thermodynamik mit Erfolg zu bearbeiten. Die von ihm erzielten Ergebnisse seien ohne Zweifel richtungweisend für die Wissenschaftsgemeinde, originell und höchst aktuell.“

 

Dr. Thomas Frommelt, Jahrgang 1978, hat von 1998 bis 2003 an der Universität Augsburg Physik mit Nebenfach Informatik studiert. Thema seiner am Lehrstuhl für Experimentalphysik IV (Prof. Dr. Bernd Stritzker) für die AFS Entwicklungs + Vertriebs GmbH geschriebenen Diplomarbeit war „Der Plasmajet als dielektrische Barrierenentladung und Beschichtungsanlage“. Während seiner anschließenden Tätigkeit als Wissenschaftlicher Angestellter am Lehrstuhl für Experimentalphysik I (Prof. Dr. Achim Wixforth) entstand zwischen 2003 und 2007 seine Doktorarbeit, die im vorigen Jahr auch bereits mit dem Universitätspreis der Gesellschaft der Freunde der Universität Augsburg ausgezeichnet wurde. Für seinen Vortrag über „Vortex engineering with surface acoustic wave fluidics“ erhielt Frommelt bei der Konferenz des DFG Schwerpunktprojekts 1164 „Nano- und Mikrofluidik“ den ersten Preis. Bereits seit Beginn seines Studiums betreibt Frommelt ein eigenes IT-Unternehmen, seit April 2008 arbeitet er als Projektmanager bei der SGL Carbon GmbH in Meitingen.

 

Frommelt hat nun einen neuartigen Pump- und Mischmechanismus entwickelt, der der hinderlichen „Zähigkeit“ kleinster Flüssigkeitsmengen gewissermaßen keine Chance lässt und somit einen großen Schritt in Richtung Chip-Labor darstellt. Dieser Mechanismus beruht auf der Wechselwirkung zwischen nanoskopisch kleinen Erdbeben ‒ sogenannten akustischer Oberflächenwellen ‒ und ebenso nanoskopisch kleinen Flüssigkeitsmengen auf dem Chip. Wie ein Ultraminiatur-Tsunami durchwirbeln und bewegen diese Nanobeben die winzigen Tröpfchen und Flüssigkeitsfilme. Die Beben werden von Mikroelektroden angeregt, an die ein Hochfrequenzsignal angelegt wird. Verwendet man zwei solcher Epizentren, so gelingt es sogar, eine quasi chaotische Mischung zu erreichen, die besonders schnell zum gewünschten Ergebnis führt.