Exzellente (Quanten)Forschung an der Leibniz Universität Hannover

Ende Mai ist es in einer Pressemitteilung bekannt gegeben worden: Die drei Exzellenzcluster an der Leibniz Universität Hannover (LUH) PhoenixD, QuantumFrontiers und Hearing4all.connects gehen in die Verlängerung. Herzliche Glückwünsche! Ein schöner Anlass, um hier im TIB-Blog die Exzellenzcluster mit ihren Forschungsschwerpunkten kurz vorzustellen und der Quantenphysik in ihren Forschungsinhalten nachzuspüren.

QuantumFrontiers

Bei QuantumFrontiers wird der Quantenbezug ziemlich offensichtlich im Namen des Clusters hergestellt. In der Presseinformation lesen wir über den Exzellenzcluster: „Zentrales Ziel ist, Messungen an der Quantengrenze mit bisher unerreichter Präzision durchzuführen – und sowohl die Grundlagenforschung voranzutreiben, als auch Anwendungen in der Quantentechnologie zu erschließen“ und „Mit der Quantenmetrologie dringen wir in unerforschtes Gebiet vor und erreichen nie dagewesene Präzision.“ Das zentrale Thema und gemeinsamer Nenner der sehr speziellen Forschungsprojekte in QuantumFrontiers ist also die Quantenmetrologie. Die Anwendungen sind dann erstaunlich vielfältig: von der Optischen Uhr über Gravitationswellendetektoren, Quantensensoren und Quantencomputern bis hin zu Kalten Atomen im Weltall, um nur einige wenige zu nennen. Salopp gesagt: Wenn die Menschheit Technologien basierend auf Quanteneffekten entwickeln und nutzen will, muss sie natürlich auch auf Quantenebene messen können!

Suche ich im TIB-Portal nach Quantenmetrologie, erlebe ich einen kleine Überraschung: Dachte ich doch, dass die Quantenmetrologie ein eher neues Thema sei, was auch die zeitliche Entwicklung der Treffer zeigt. Erst ab Mitte der 2000er Jahre steigt die jährliche Zahl der Treffer auf Werte über zehn, ab 2013 dann auf dreistellige Werte. ABER: Der Begriff Quantum Metrology wurde bereits Ende der 1960er Jahre eingeführt und bereits 1983 erschien eine umfangreiche Abhandlung mit dem Titel Quantum Metrology and Fundamental Physical Constants.

PhoenixD

Der Exzellenzcluster PhoenixD macht es mir etwas schwerer, auf den Quantenpfad zu kommen. Erstmal bin ich etwas erschlagen angesichts des Spektrums seiner Forschung unter dem Label Photonics, Optics, Engineering Innovation – Across Disciplines. Ich irre über die PhoenixD-Website, sehe viel Optik, sehe vor allem die Beiträge aus dem Maschinenbau, der Elektrotechnik, der Werkstoffkunde und der Chemie, der Mathematik und der Informatik zu den Forschungsschwerpunkten Simulation und Fertigung in PhoenixD. Die Physik oder gar die Quantenphysik vermute ich dann in den Bereichen, die sich mit Aspekten der Licht-Materie-Wechselwirkung beschäftigen. Glücklicherweise hilft hier auch die Presseinformation weiter:

„Ziel ist es, optische Präzisionsgeräte schnell und kostengünstig zu entwickeln, um neuartige Anwendungen in der medizinischen Diagnostik, der Lebensmittelproduktion sowie der Telekommunikation- und Quantenkommunikation zu ermöglichen. Dafür arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den sechs Fachgebieten Maschinenbau, Physik, Elektrotechnik, Informatik, Mathematik und Chemie zusammen und erforschen die Manipulation und Detektion von Laserlicht.“

Da sind sie, die wichtigen Begriffe Quantenkommunikation und Laserlicht, Quantenphysik und Quantenoptik! Wenn ich in Web of  Science, einer der von der TIB für die LUH bereitgestellten Fachdatenbanken nach Veröffentlichungen des Exzellenzclusters 2122 suche, erhalte ich 600 Treffer, die sich irgendwo in ihren Metadaten auf EXC-2122 beziehen. Jetzt geht der Spaß erst richtig los. Die Filterfunktion ermöglicht mir, diese Treffer nach bestimmten Aspekten zu analysieren:

• Aus welchen Einrichtungen stammen die Paper? LUH, TU Braunschweig, Laser Zentrum Hannover, …
• Aus welchen Departments und Instituten? Fakultät für Mathematik und Physik, Institut für Quantenoptik(!), Hannoversches Zentrum für Optische Technologien, Fakultät für Naturwissenschaften, Institut für Anorganische Chemie, Institut für Organische Chemie, Fakultät für Maschinenbau, … Tatsächlich viel Quantenoptik wenn man nach der Zahl der dem IQO zugeordneten Paper geht.
• Aus welchen WoS-Fachgebieten? Materials Science Multidisciplinary, Optics, Physics Applied, Nanoscience Nanotechnology, Chemistry Physical, Chemistry Multidisciplinary, Engineering Electrical Electronic, Physics Condensed Matter, Computer Science Artificial Intelligence, Mechanics, Mathematics Interdisciplinary Applications, … und last but not least
• Wo sind die Paper erschienen? Proceedings of SPIE, Optics Express, Sensors, Optics Letters, Scientific Reports, Carbon, Physical Review B, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Physical Review A, … Dieses Ergebnis erfreut mich besonders, da ich mich vor Jahren gemeinsam mit meinen Kolleg:innen dafür eingesetzt habe, dass die SPIE Digital Library als Allianzlizenz angeboten wurde, weil unser Eindruck war, dass sie u.a. in Hannover aufgrund der Forschungsschwerpunkte gut genutzt würde. Sic! Auch dass eifrig in den Journals von Optica publiziert wird, passt.

Web of Science beantwortet auch die Frage nach den am stärksten zitierten Papern aus der Forschung von EXC-2122:

• Exceptional piezoelectricity, high thermal conductivity and stiffness and promising photocatalysis in two-dimensional MoSi2N4 family confirmed by first-principles
• Same Same But DifferNet: Semi-Supervised Defect Detection with Normalizing Flows 
• First‐Principles Multiscale Modeling of Mechanical Properties in Graphene/Borophene Heterostructures Empowered by Machine‐Learning Interatomic Potentials

Wer eine vollständige Übersicht aller über 900 Paper von PhoenixD möchte, der sei auf die PhoenixD-Seite im Fachinformationssystem der LUH verwiesen. Leider ist hier die Analyse der Paper nicht so möglich wie in einschlägigen Fachdatenbanken.

Hearing4All

Hearing4All, das inzwischen seine dritte Förderperiode erreicht hat, hat zum Ziel, „die Prognose, Diagnostik und Behandlung von Hörverlust zu verbessern.“ Insbesondere die Nutzung von KI-basierten Systemem steht in der neuen Förderperiode im Fokus. Beteiligt an Hearing4All sind Wissenschaftler:innen aus der Medizinischen Physik, Psychologie, Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde, den Neurowissenschaften, Ingenieurwissenschaften und der Linguistik.

In diesem Cluster ist die LUH nach der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg und der Medizinischen Hochschule Hannover eher der kleine Bruder: Suche ich die Paper des Clusters in der Fachdatenbank Scopus an, so finde ich über 300 Treffer, die EXC-2177 als Funding information tragen. Filtere ich dann nach den Fachgebiet Physics and Astronomy, reduziert sich die Zahl der Paper auf 49, die überwiegend in Konferenzbänden oder Journals stammen, die Audio und Speech oder Acoustic im Namen tragen. Aber immerhin: Sieben der Paper haben Autor:innen, die am Institut für Quantenoptik der LUH arbeiten, eines davon hat einen Titel, der auch mir verständlich macht, was die Quantenoptik für die Forschung zur Behandlung von Hörverlust tun kann: Optoacoustic tones generated by nanosecond laser pulses can cover the entire human hearing range.

The Map of (Quantum) Physics

Zum Schluss dieses Beitrags ein kleines Fundstück, das ich kürzlich in Form eines Bildes abgedruckt auf der letzten Seite eine Buches sah, das aber eigentlich ein YouTube-Video ist und sehr anschaulich zeigt, wo sich die Quantenphysik warum in der Map of Physics verorten lässt. Ab Sekunde 302 ist es soweit:

Die Physik der Schöpfung

Manchmal gibt es sie, diese Gelegenheiten, bei denen sich Beruf (Fachreferat Physik) und Privates (kirchliches Ehrenamt) auf schönste Art und Weise begegnen. Eine solche Begegnung wird im Rahmen der Themenwochen „Aus dem Vollen schöpfen“ der evangelisch-lutherischen Emmaus-Kirchengemeinde Hannover stattfinden, wenn am Montag, den 12. Mai 2025 um 19 Uhr im Kirchsaal der Herrenhäuser Kirche mit dem theologischen Vizepräsidenten des Landeskirchenamtes Hannover Dipl. Ing. Dr. theol. Ralph Charbonnier und Prof. Dr. Christian Ospelkaus vom Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover ein Theologe und ein Physiker über die Schöpfung ins Gespräch kommen werden.

Religion und Physik?

Religion und Physik? Für manche nicht auf den ersten Blick vereinbar, trifft da offenbar wissenschaftliche Beweisführung auf etwas, was sich rational nicht beweisen lässt. Dennoch: „Glauben“ steht nicht für „nicht wissen“, sondern für „vertrauen“! Letzlich vertrauen auch Naturwissenschaftler:innen darauf, dass ihre Interpretation, ihre Auslegung von Forschungsergebnissen die wahre ist. In der Geschichte der Physik gibt es einige bekannte Namen, die Wissenschaft und Glauben gut vereinen konnten, zu nennen wären da unter anderem Albert Einstein und Max Planck, zu dem ich bereits 2018 einen Beitrag hier im Blog geschrieben habe. Menschen, die sich auch zu ihren Zweifeln bekannt haben. In Quantum questions: mystical writings of the world‘s great physicists zum Beispiel lässt sich nachlesen, zu welchen Erkenntnissen die Größen der Physik von Heisenberg bis Eddington auf diesem Gebiet, wie der Frage der Wahrheit in Naturwissenschaften und Religion, gekommen sind.

Leider sind die Informationen zum Inhalt der Diskussion etwas dürftig (das steigert bekanntlich die Spannung und die Vorfreude), also mache ich mich im TIB-Portal auf die Suche nach Schnittpunkten zwischen Physik und Theologie bzw. von Literatur zur Physik der Schöpfung.

Mit einer Suche nach der Systemstelle 11 Theologie, Religionswissenschaft unserer Basisklassifikation kombiniert mit den Systemstellen 33 Physik und 39 Astronomie (hier findet sich die 39.30 Kosmologie) erhalte ich 66 Treffer aus dem Bestand der TIB und siehe da, es wird schnell ersichtlich, wo der Weg hinführt: Schöpfung, Kosmologie, Urknall sind wichtige Themen im Grenzgebiet Physik und Theologie sowie tatsächlich auch Titel, die der Frage der Vereinbarkeit von Physik und Glauben nachgehen. Im Bestand der Gottfried Wilhelm Leibniz Bibliothek (GWLB) wiederum findet sich ein Titel, der sogar die Frage aufwirft, ob die Kirche die Mutter der Physik sein könnte. Spannend finde ich auch den Begriff der Trinitätsphysik, den das Werk Trinitätsphysik: von der Physik zur Trinität, vom Wissen zum Glauben; Gedanken zur Theorienwelt des 21. Jahrhunderts zum Inhalt hat.

Quantenphysik und Theologie?

Da wir uns im Quantenjahr befinden, spiele ich weiter und kombiniere jetzt die Systemstelle 11 mit der 33.23 und der 33.24 für die Quantenphysik bzw. die Quantenfeldtheorien und erhalte genau einen Treffer: Die Evolution des Geistigen: Quantenphysik – Bewusstsein – Religion. Immerhin. Erweitere ich meine Suche, indem ich nach Quanten* OR Quantum* suche und auf Treffer aus der Theologie, Religionswissenschaft einschränke, taucht bei den 120 Treffern dieser Titel an erster Stelle wieder auf, aber auch weitere Titel, die zeigen, dass immer wieder über die Beziehung zwischen Quantenphysik und Theologie nachgedacht wurde, wie zum Beispiel der Dialogue in the crisis of representation: realism and antirealism in the context of the conversation between theologians and quantum physicists in Göttingen 1949 –1961. In Quantum und Lotus: vom Urknall zur Erleuchtung begegnen sich ein buddhistischer Mönch und ein Astrophysiker und locken mit nichts weniger als Erleuchtung. Krass.

Suche ich nach dem Stichwort „Schöpfung“ erhalte ich mehr als 500.000 Treffer. Ehrlich? Ah! (und Achtung Falle): Durch die parallele Suche nach dem Synonym „Creation“ erhalte ich viele Treffer, in denen es um die Erzeugung von XYZ geht … Auch eine Form der Schöpfung, aber nicht Schöpfung im eigentlichen Sinne und im Sinne des Gespräches. Also klicke ich auf die Suche ohne Synonyme. Jetzt kommen wir der Sache näher, wenn auch unter dem Verlust englischer Titel. Einer der ersten Treffer bringt uns gleich zu einem aktuellen Artikel, der sich mit Schöpfung und Kosmologie befasst. Wie passend.

Prima, jetzt habe ich einen ersten Eindruck, um was es am 12. Mai gehen könnte, ein bisschen Spannung bleibt. Sehen wir uns?