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Aktuelles - März 2010

Das Geheimnis der Unordnung

Der FernUni-Mathematiker Prof. Kirsch beschäftigt sich mit ungeordneten Festkörpern

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Ordnung ist das halbe Leben, sagt ein deutsches Sprichwort. Der FernUni-Mathematiker Prof. Dr. Werner Kirsch untersucht zurzeit die andere Hälfte: In einem Teilprojekt eines DFG-Sonderforschungsbereichs befasst er sich mit ungeordneten Festkörpern.

Der Sonderforschungsbereich zur mesoskopischen Physik läuft bereits seit 2003. Ursprünglich waren Wissenschaftler der Universitäten Köln, Essen, Bochum und Warschau daran beteiligt. Seit zwei Jahren gehört auch die FernUniversität in Hagen dazu. Als Prof. Kirsch 2008 von Bochum nach Hagen ins Lehrgebiet Stochastik wechselte, genehmigte die DFG, dass er sein Projekt mitnimmt.

Als makroskopisch bezeichnet man alles, was mit dem bloßen Auge sichtbar ist, mikroskopisch ist die Welt der Elementarteilchen und der Atome. „Der Begriff mesoskopisch bezeichnet das, was dazwischen liegt. Etwas, das man gerade noch mit dem bloßen Auge sehen kann, jedoch bereits den mikroskopischen Gesetzmäßigkeiten unterliegt“, erklärt Kirsch. Bei mikroskopischen Systemen greift die Quantenmechanik, bei makroskopischen die klassische Mechanik.

Prof. Dr. Werner Kirsch Prof. Dr. Werner Kirsch

In dem Sonderforschungsbereich arbeiten Physiker und Mathematiker an mehreren Einzelprojekten zur mesoskopischen Physik. Die DFG fördert die Projekte, indem sie Stellen sowie Reise- und Gästemittel bezahlt. Jeweils für vier Jahre wird eine solche Förderung bewilligt. Nach einer Verlängerung im Jahr 2007 läuft der derzeitige Sonderforschungsbereich noch bis 2011. Da Wissenschaftler verschiedener Universitäten an ihm beteiligt sind, handelt es sich um einen sogenannten „Transregio Sonderforschungsbereich“. Viermal jährlich treffen sich die Forscher, um ihre Ergebnisse auszutauschen.

In dem Teilprojekt von Prof. Kirsch geht es um ungeordnete Festkörper. Bei einem ungeordneten Festkörper sind die Atome in ungeordneter, zufälliger Anordnung. Diese Unordnung kann zum einen dadurch entstehen, dass gleiche Atome unregelmäßig angeordnet sind, was beispielsweise bei Glas oder Gummi der Fall ist. Zum anderen können auch fremde Atome das System verunreinigen. „Halbleiter wie Silizium oder Germanium werden zu ungeordneten Festkörpern, indem man sie gezielt verunreinigt. So kann man ihre Eigenschaften verändern“, erläutert der Mathematiker. Auf Halbleitertechnologie basiert die gesamte moderne Elektronik.

Die elektrische Leitfähigkeit der ungeordneten Festkörper ist das zentrale Thema in Kirschs Forschungsprojekt. Halbleiter tragen ihren Namen, da sie sich von Leitern und Nichtleitern unterscheiden. Sie leiten zwar, dies jedoch nur sehr schlecht. Verunreinigt man sie durch winzige Spuren fremder Atome leiten sie hingegen gut. Diese Halbleiter bezeichnet man als dotierte Halbleiter.

Zwei bislang offene Fragen stehen bei den Untersuchungen an der FernUniversität im Vordergrund: Zum einen überprüft Kirsch, in welcher Weise die Verhältnisse der Teilchen untereinander die Leitfähigkeit beeinflussen. Zum anderen beschäftigt sich der Hagener Wissenschaftler mit Supraleitern. Supraleiter, das sind beispielsweise gewisse Metalllegierungen und Keramiken, leiten Strom nahezu ohne Widerstand. So kann Strom, wenn er einmal in einen Kreislauf geleitet ist, beinahe unendlich fließen. Dies ist jedoch normalerweise nur bei sehr tiefen Temperaturen (bei ca. -200°C) möglich. Ausnahmen wurden erst in den letzten Jahren entwickelt. Kirsch möchte herausfinden, ob und wie Verunreinigungen einen Supraleiter beeinflussen. Im Idealfall sollen die Supraleiter auch noch bei höheren Temperaturen funktionieren.

Es ist Grundlagenforschung, um am Ende mehr über mesoskopische Systeme zu wissen. Zukünftige Technik könnte sich dieses Wissen zu Nutze machen. Die Untersuchungen in dem Projekt werden rein theoretisch mit der Hilfe von mathematischen Gleichungen durchgeführt. Kirsch: „Wir arbeiten mit Gleichungen, die letztlich nicht aufzulösen sind, aus denen man jedoch Eigenschaften der ungeordneten Festkörper erkennen kann.“ An anderen Stellen wird die Leitfähigkeit dieser Systeme auch mit Hilfe von praktischen Experimenten untersucht. Diese Arbeiten hängen jedoch nicht mit dem Sonderforschungsbereich der DFG zusammen.

Carina Grewe | 29.03.2010
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