27. Mai 2026

Welche Fortschritte hat die Grundlagenforschung im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter" in der vergangenen Förderphase erzielt? Welche Lösungen hält sie für die Gesellschaft bereit? Das neue Magazin „Advanced Imaging of Matter – Sieben Jahre CUI im Fokus” gibt Einblicke in die grundlegenden Fragen der Physik, Chemie und Strukturbiologie, mit denen sich die Forschenden im Cluster befassen - von passgenauen Medikamenten über nachhaltige Energieumwandlung bis hin zur Entwicklung von funktionalen Nanomaterialien. Im Editorial erläutern die Sprecher Prof. Klaus Sengstock, Prof. Henry Chapman und Sprecherin Prof. Francesca Calegari die Vision des Clusters und seine Wirkung. Der Text ist eine leicht gekürzte Version aus dem Magazin und bildet den Auftakt zu einer Serie, in der wir in den kommenden Wochen ausgewählte Artikel aus dem Magazin vorstellen werden.

Advanced Imaging of Matter - Sieben Jahre CUI im Focus

„Mehr ist anders.“ Dieser berühmte Ausspruch des Nobelpreisträgers für Physik (1977) Philip Warren Anderson ist Leitmotiv für die Forschenden des Exzellenzclusters CUI. Er beschreibt eine der größten und spannendsten Herausforderungen der heutigen Wissenschaft. Im Mittelpunkt steht die Frage, wie mikroskopische Vorgänge die Eigenschaften eines Materials prägen und wie dieses Wissen genutzt werden kann, um neue Funktionalitäten gezielt zu schaffen.

Prof. Dr. Klaus Sengstock, Professor für Physik an der Universität Hamburg und Spezialist für ultrakalte Quanten -gase und Quantentechnologien, etwa Quantencomputing, beschreibt die wissenschaftliche Vision des Clusters:

Beobachten, verstehen, kontrollieren – diese drei Worte beschreiben die Forschung in unserem Cluster. Die Fragen, die wir stellen, sind hochkomplex und gehören zu den größten Herausforderungen der heutigen Wissenschaft: Wie interagieren DIE grundlegenden Bausteine der Natur – Atome, Moleküle, Elektronen – miteinander? Wie beeinflussen sie die Eigenschaften von Systemen? Und vor allem: Wie entsteht kollektives Verhalten? Wir suchen nach der DYNAMIK in der Natur, was weit über die Strukturanalyse hinausgeht.

Eine unserer Visionen ist es, mithilfe von Licht transiente Supraleiter bei Raumtemperatur zu stabilisieren. Ein weiteres Ziel ist es, stark korrelierte Vielteilchensysteme aus den Grundprinzipien zu verstehen und neue Gesetze der Physik in sehr reinen Systemen, wie beispielsweise ultrakalten Quantengasen, zu entdecken. Ebenso weitreichend ist das Ziel, die stark korrelierten Bewegungen von Elektronen und Atomkernen zu untersuchen und ihren „Tanz“ zu kontrollieren, der dem Wunder der Chemie zugrunde liegt. Können wir außerdem Proteine während ihrer Arbeit in der Maschinerie des Lebens abbilden und letztendlich ihre Funktion mit Licht steuern? Was all diese Beispiele verbindet, ist, dass diese Schlüsselphänomene im Nicht-Gleichgewicht entstehen. Für unseren Erfolg ist es daher zentral, die Dynamik komplexer physikalischer und chemischer Systeme in Echtzeit auf atomarer Ebene abzubilden.

Wir möchten betonen, dass wir uns sehr freuen, geehrt fühlen und dankbar dafür sind, dass die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) beschlossen hat, unseren Exzellenzcluster für weitere sieben Jahre zu fördern. In der kommenden Förderperiode werden wir unsere sehr erfolgreiche Strategie fortsetzen und neuen Ideen und wissenschaftlichen Fragestellungen nachgehen, die von großer gesellschaftlicher Bedeutung sind.

Warum Hamburg für diese Art von Forschung so gut geeignet ist, erklärt Prof. Dr. Henry Chapman, leitender Wissenschaftler am DESY und Professor für Physik an der Universität Hamburg, der die Methode der seriellen Röntgenkristallographie erfunden hat:

Ein wesentlicher Faktor ist die kritische Masse an exzellenten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, über die wir in Hamburg verfügen. Im Cluster lassen sich beispielsweise experimentelle Chemiker von Kolleginnen aus der Theorie zu Synthesen einer besonders interessanten Molekülklasse inspirieren. Diese Proben werden dann mit physikalischen Methoden analysiert und die experimentellen Daten gemeinsam ausgewertet und veröffentlicht. Insgesamt forschen 185 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in den Projekten, unterstützt von weiteren 170 Teammitgliedern. Wir sind sehr stolz darauf, dass seit 2019 zwölf unserer Nachwuchsforschenden auf eine Professur oder eine gleichwertige Position berufen wurden.

Der zweitwichtigste Faktor sind unsere neuen bahnbrechenden methodischen Fähigkeiten, die wir in den letzten zehn Jahren entwickelt haben, um Materie im Ångström- und Femtosekundenbereich oder sogar darunter zu untersuchen. Die Forschenden haben Zugang zu einer Infrastruktur mit modernsten Einrichtungen und Laboren sowie leistungsstarken Computern. Hamburg beherbergt die derzeit modernsten Röntgenstrahlungsquellen, die Licht für die Untersuchung physikalischer und chemischer Prozesse auf atomarer Ebene liefern. DESY betreibt die neuartigen beschleunigerbasierten Photonenquellen und Forschungsanlagen FLASH und PETRA III. Diese Kapazitäten werden durch die European XFEL GmbH erheblich erweitert, die seit 2017 den weltweit neuesten und modernsten (harten) Freie-Elektronen-Röntgenlaser betreibt. Diese Lichtquellen ermöglichen Beobachtungen auf atomarer Ebene und mit unglaublich kurzen Belichtungszeiten, sodass wir Bewegungen verfolgen können, die zuvor nur unscharf zu sehen waren.

Hamburg ist ein Paradebeispiel dafür, wie wissenschaftlicher Fortschritt durch die Einbettung modernster Großtechnologie in ein aktives Forschungsumfeld gefördert wird. Wir freuen uns sehr, dass wir unseren Beitrag dazu weitere sieben Jahre leisten können.

Prof. Dr. Francesca Calegari, ebenfalls leitende Wissenschaftlerin bei DESY und Professorin an der Universität Hamburg, ist Spezialistin für Laserspektroskopie und Attosekundenforschung. Sie wurde 2022 nach der Pensionierung des Nanoexperten Horst Weller, Professor am Institut für Chemie der Universität Hamburg, zur Sprecherin gewählt. Calegari beschreibt die Besonderheiten eines Clusters und warum er hervorragende Forschung ermöglicht:

Eine große Herausforderung bei der Entdeckung allgemeiner Prinzipien auf allen Hierarchieebenen der Materie besteht darin, die Grenzen und Barrieren zwischen Disziplinen zu überwinden. Der Cluster bietet uns dafür fantastische Möglichkeiten, die in der Wissenschaft nicht immer selbstverständlich sind: Wir haben es geschafft, diese Barrieren zu überwinden, indem wir eine gemeinsame Sprache und Analogien zwischen unseren unterschiedlichen Fachgebieten gefunden haben. Wir kombinieren Fachwissen aus den Bereichen Attosekunden- und Femtosekundenphysik, Proteinnanokristallographie, Nanopartikelphysik, kalte Quantengase, Physik der kondensierten Materie, nichtlineare Röntgenoptik, Strukturbiologie und Physik der Wechselwirkungen zwischen Röntgenstrahlung und Materie, um ein multiskaliges Verständnis der Entstehung von Funktionalitäten zu erlangen. Die Bewältigung dieser Herausforderung wird zunächst Erkenntnisse in der Grundlagenforschung liefern, aber auch wichtige Impulse für die Entwicklung neuer Materialien und Technologien geben. Wir sind sehr stolz darauf, dass zwei Start-ups von Postdoktoranden gegründet wurden, die wir in unserem Cluster ausgebildet haben.

Die Cluster bieten uns jedoch auch fantastische Möglichkeiten, die akademische Welt im Allgemeinen zu verändern. Wir haben hervorragende Initiativen lanciert, darunter das „Mildred Dresselhaus Gastprofessorinnenprogramm“, das ins Leben gerufen wurde, um zwei international an-erkannte Spitzenforscherinnen nach Hamburg zu holen, und das „Louise Johnson“-Stipendium, das an hervorragende Wissenschaftlerinnen vergeben wird, die bereits ein ausgeprägtes Potenzial für eine frühe Unabhängigkeit zeigen. Wir sind stets bemüht, die Geschlechterparität im Einstellungsprozess des Clusters zu gewährleisten, und unterstützen Doktorandinnen und Postdoktorandinnen mit einem Mentoring-Programm, um ihnen eine erfolgreiche Karriere zu ermöglichen. In den letzten zehn Jahren haben wir festgestellt, dass unsere Programme zunehmend Wirkung zeigen. Wir freuen uns daher besonders, dass wir dies auch in Zukunft fortsetzen können