Expertin für Röntgen-Quantenoptik

Adriana Pálffy-Buß wird ihre Arbeitsgruppe im Würzburg-Dresdener Exzellenzcluster ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg einrichten.

Ihr Forschungsgebiet, die Röntgen-Quantenoptik, nutzt die extrem kurzwellige Röntgenstrahlung statt sichtbarem Licht zur Erforschung winzigster Teilchen. Das könnte für zerstörungsfreie Abbildungsverfahren relevant werden und leistet einen entscheidenden Beitrag zur quantenphysikalischen Grundlagenforschung.

Schnelle Photonen für die Datenübertragung

Bisher werden digitale Informationen durch vergleichsweise träge fließende Elektronen in Halbleitern übertragen. Ein Forschungsansatz des Exzellenzclusters ct.qmat widmet sich der Möglichkeit, stattdessen wesentlich schnellere Photonen – also Lichtteilchen – zu nutzen.

Bislang haben die Würzburger Quantenoptikerinnen und Quantenoptiker von ct.qmat dafür die Wechselwirkung von Licht und Elektronen in den Blick genommen. Elektronen sind kleine Teilchen, die die Hülle der Atomkerne bilden. In der Informationsübertragung besteht jedes Material – ob Chip, Internet-Kabel oder Sensoren – wiederum aus regelmäßig angeordneten Atomen, dem „Atomgitter“.

Für ihre Experimente verwenden die Forschenden sichtbares Licht mit Wellenlängen zwischen 0.4 und 0.8 Mikrometern. Die Quanteneffekte, die sich durch die Wechselwirkung zwischen den Photonen und diesen Materialien bzw. deren Atomgittern ergeben, stehen im Mittelpunkt des Interesses des Exzellenzclusters ct.qmat.

„Renommierte Expertin gewonnen“

„Ich freue mich, dass wir den Forschungsbereich Quantenoptik in Würzburg gemeinsam mit Adriana Pálffy-Buß auf das Gebiet der Röntgenphysik erweitern können. Mit ihr haben wir eine renommierte Expertin für die Licht-Materie-Wechselwirkung gewonnen, die unsere Würzburger Röntgen-Tradition fortsetzt – und zwar in eine ganz neue Quantenrichtung. Dabei stehen die Quanteneigenschaften der Röntgenphotonen selbst im Vordergrund und wir erhoffen uns innovative sowie originelle Perspektiven und Forschungsansätze“, betont der Würzburger Clustersprecher Ralph Claessen, Professor für Experimentelle Physik an der JMU.

Die Röntgen-Tradition des Standorts Würzburg reicht weit zurück, denn an der hiesigen Universität entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen die später nach ihm benannte Strahlung.

Röntgenphysik & Quantenoptik

Adriana Pálffy-Buß hat theoretische Modelle für die Wechselwirkung von Licht und Materie entwickelt, die statt der Elektronen den Atomkern selbst in den Fokus rücken. Dafür nutzt sie Röntgenstrahlung anstelle des sichtbaren Laserlichts. Denn um Verhalten und Struktur von Atomkernen zu erforschen, braucht es hochenergetische Lichtteilchen. Während die Elektronen der Atomhülle durch optisches Laserlicht angeregt werden, sind zur Anregung von Atomkernen Röntgenphotonen mit bis zu 150.000-fach größerer Energie notwendig.

Im Zentrum der Röntgen-Quantenoptik stehen die Effekte, die sich im Atomkern durch die Interaktion mit Röntgenstrahlen ergeben. Die Wechselwirkung von Röntgenquanten mit Atomkernen könnte der Materialforschung neuartige Möglichkeiten eröffnen: „Vielleicht können Röntgenphotonen zukünftig als Informationsträger genutzt werden oder neue Anwendungen wie Röntgen-Laser entstehen“, meint Claessen.

Für ihre theoretischen Modelle zur Röntgen-Quantenoptik erhielt Adriana Pálffy-Buß 2019 den Röntgen-Preis der Justus-Liebig-Universität Gießen und den Hertha-Sponer-Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. Ihre theoretischen Überlegungen zur „starken Kopplung“ von Röntgenstrahlen und Atomkernen wurden experimentell bestätigt.

Würzburg als bisheriger Höhepunkt einer ausgezeichneten Karriere

„Würzburg ist nicht nur die Heimat der Röntgenstrahlung, sondern durch das Exzellenzcluster auch eine unglaublich spannende Forschungsumgebung für die Quantenphysik. Ich freue mich sehr, davon profitieren zu dürfen“, so Adriana Pálffy-Buß, die zuletzt im Rahmen einer Heisenberg-Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft an der Universität Erlangen-Nürnberg tätig war.

Nach ihrem Physikstudium in Bukarest promovierte sie 2006 an der Universität Gießen. Ab 2011 leitete sie am Max-Planck-Institut für Kernphysik die Gruppe für nukleare und atomare Quantendynamik. 2014 habilitierte sie an der Universität Heidelberg.

Seit dem 1. April 2022 hat Adriana Pálffy-Buß die W2-Professur für Theoretische Quanteninformation und Quantenoptik an der JMU übernommen. Hier verstärkt sie den Bereich Photonik im Exzellenzcluster ct.qmat, zusätzlich zu der bereits 2020 geschaffenen Juniorprofessur von Sebastian Klembt.

Röntgen an der JMU

1895 machte Wilhelm Conrad Röntgen am Physikalischen Institut der Universität Würzburg eine revolutionäre Entdeckung. Bei Versuchen mit Elektronenstrahlen in Vakuumröhren fand er die „X-Strahlen“, heute als Röntgenstrahlung bekannt. Sie erlaubten erstmals einen Blick „ins Innerste der Welt“. Für seine Entdeckung erhielt Röntgen 1901 den ersten Nobelpreis für Physik.

Exzellenzcluster ct.qmat

Das Exzellenzcluster ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter (Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien) wird seit 2019 gemeinsam von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der TU Dresden getragen. Mehr als 270 Forschende aus 34 Ländern und von vier Kontinenten untersuchen topologische Quantenmaterialien, die unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen, hohem Druck oder starken Magnetfeldern überraschende Phänomene offenbaren. Das Exzellenzcluster wird im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert – als einziges bundeslandübergreifendes Cluster in Deutschland.