Das zentrale wissenschaftliche Ziel von UniSysCat ist, die nächste Stufe zukünftiger Herausforderungen in der Katalyse zu meistern: die Entschlüsselung, Erzeugung und Kontrolle von Reaktionsnetzwerken in der chemischen und biologischen Katalyse mit unterschiedlicher Komplexität in Zeit und Raum.

Die Luft, die wir atmen, das Wasser, das wir trinken, unsere Nahrung und andere Ressourcen resultieren aus Interaktionen zwischen der Geo- und der Biosphäre. Diese Wechselwirkungen zu verstehen ist daher unverzichtbar für das Überleben und Wohl der Menschheit, die durch den anthropogenen Wandel gefährdet sind. Der gegenwärtige anthropogene Einfluss ist beispiellos, aber die zugrundeliegenden Naturgesetze sind universell gültig.

Der Exzellenzcluster STRUKTUREN untersucht, wie Struktur, kollektive Phänomene und Komplexität aus den Grundgesetzen der Physik entstehen. Die dabei verwendeten Konzepte und Methoden sind auch zentral, um relevante Strukturen in großen Datenmengen zu finden und neuartige analoge Rechner zu entwickeln.

Solvation Science wurde von RESOLV als interdisziplinäres Forschungsgebiet neu etabliert. In unserem vereinheitlichten Ansatz werden Lösungsmittel nicht mehr nur als bloße Zaungäste, sondern als entscheidende Gestalter chemischer Prozesse angesehen. RESOLV entwickelt innovative Techniken und Methoden, um lösungsmittelgesteuerte Prozesse zu verstehen und zu kontrollieren. Solvation Science ist eine wesentliche Grundlage zur Bewältigung drängender wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Herausforderungen, wie z.B. der Transformation der Produktion von Grundchemikalien weg von fossilen hin zu nachhaltigen Kohlenstoff- und Energiequellen.

„Messen heißt wissen“ – das ist das Wesen der Naturwissenschaften. Messen an der Quantengrenze ist das Wesen der Quantenmetrologie.

Der Exzellenzcluster Quantum Universe II (QU-II) zielt auf die Erweiterung unseres Verständnisses der Naturgesetze ab – von der frühesten Quantenära der kosmologischen Entwicklung bis zu den größten gravitativen Strukturen des heutigen Universums. Trotz der Erfolge des Standardmodells der Teilchenphysik und der Allgemeinen Relativitätstheorie bleiben grundlegende Fragen offen: Woher rührt die große Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie? Woraus besteht die Dunkle Materie? Was verursacht die beschleunigte Expansion des Universums? Wie kann Gravitation quantenmechanisch beschrieben werden und durch welche mathematischen Strukturen?

Im Innersten unseres Universums existiert eine Welt von Teilchen, die so klein sind, dass sie unsere Vorstellungskraft sprengen, und doch so grundlegend, dass sie alles, was wir sehen, ausmachen. Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik beschreibt diesen Mikrokosmos mit hoher Präzision und liefert uns ein tiefes Verständnis der grundlegenden Kräfte, der Struktur der Materie und der Entwicklung des Universums.

Die Energiewende als unaufschiebbare Transformation unserer globalen Wirtschaft steht vor Herausforderungen wie begrenzter Rohstoffverfügbarkeit, Niedergang der europäischen Bergbauindustrie, geopolitischer Gefahren und Preisschwankungen. Dies betrifft besonders die elektrochemische Energiespeicherung (EES) als Schlüsseltechnologie für erneuerbare Energien. Alternative EES-Technologien erfordern eine koordinierte Grundlagenforschung, die auf leistungsstarke, sichere und nachhaltige Lösungen abzielt. Diese Technologien müssen auf reichlich verfügbaren Rohstoffen beruhen, die Energiesicherheit und -souveränität verbessern und eine resiliente und nachhaltige Energiezukunft ermöglichen.

Die bedeutenden Fortschritte in der Physik im letzten Jahrhundert haben unser Verständnis verschiedener Zustände der Materie erweitert. Jedoch sind die Eigenschaften des lebenden Zustands der Materie sowie die Entstehung komplexer räumlich-zeitlicher Strukturen in lebenden Systemen bis heute nicht vollständig geklärt. Daher bleibt die Identifizierung der physikalischen Prinzipien, die das Leben bestimmen, eine der größten wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit. Das Exzellenzcluster ‚Physik des Lebens‘ (Physics of Life; PoL), eines von fünf Clustern an der Technischen Universität Dresden, hat sich zum Ziel gesetzt, diese Herausforderung anzugehen und die physikalischen Gesetze aufzudecken, die die dynamische Organisation lebender Materie bestimmen.

ORIGINS hat sich zum Ziel gesetzt, die Entwicklung des Universums vom Urknall bis zur Entstehung des Lebens zu verstehen und grundlegende Fragen der Menschheit zu beantworten. In den letzten sechs Jahren haben wir eine einzigartige Zusammenarbeit zwischen Bio-, Teilchen-und Astrophysikern in München aufgebaut, um die Ursprünge des Universums zu enträtseln, von Quantenfluktuationen über dieBildung von Galaxien, Sternen und Planeten bis hin zur Entstehung des Lebens.

Der Exzellenzcluster “Matter and Light for Quantum Computing” (ML4Q) nahm 2019 sein wissenschaftliches Programm auf. Ziel ist es die Grundlagen einer umfassenden Quantentechnologie mit Rechen- und Netzwerkfunktionalität zu entwickeln. Führende Forscher:innen der Universitäten Köln, Bonn und Aachen gemeinsam mit dem Forschungszentrum Jülich bündeln ihre Expertise aus den Bereichen Festkörperphysik, Quantenoptik und Quanteninformation, um dieses Zukunftsfeld entscheidend voranzubringen.

Wissenschaftler auf der ganzen Welt erweitern die Grenzen unseres Wissens und unserer experimentellen Möglichkeiten in der Quantenwissenschaft. Die Forscher des MCQST haben dabei eine bedeutende Rolle gespielt und das MCQST als weltweit führendes Forschungszentrum für Quantenwissenschaft und -technologie (QWT) etabliert. Sie haben bahnbrechende wissenschaftliche Fortschritte innerhalb der QST erzielt, die durch zahlreiche Auszeichnungen und Ehrungen gewürdigt wurden. Gleichzeitig hat sich das MCQST zu einem zentralen Ankerpunkt im Münchner Quantenökosystem entwickelt.

Der Cluster „Mathematik Münster: Dynamik – Geometrie – Struktur“ fördert Spitzenforschung durch einen einzigartigen, integrierten Ansatz zur Lösung grundlegender Fragestellungen in verschiedenen mathematischen Disziplinen. Komplexe Herausforderungen werden durch die Kombination unterschiedlicher Techniken, Perspektiven und Fachrichtungen auf höchstem Niveau adressiert.

Das Forschungszentrum der Berliner Mathematik MATH+ verfolgt das Ziel, Mathematik in Wechselwirkung mit interdisziplinärer Forschung voranzutreiben, um Fortschritte bei zentralen Fragestellungen in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern zu erzielen.

Das Exzellenzcluster Hausdorff Center for Mathematics hat zum Ziel, Spitzenforschung im Bereich der Mathematik und ihrer Anwendungen zu fördern und damit Bonn als weltweit führendes Zentrum und Kristallisationspunkt für internationale Wissenschaftler:innen zu etablieren. Das Forschungsprogramm des HCM hat große internationale Sichtbarkeit und erstreckt sich über die Mathematik in ihrer ganzen Breite, von ambitionierter Grundlagenforschung bis zu industriellen und medizinischen Anwendungen.

Im Fokus von e-conversion steht die Erforschung der Energieumwandlungsvorgänge, die an Grenzflächen ablaufen. Dort, wo Licht, Ladungen und Materie interagieren, untersucht unser Exzellenzcluster die Grundlagen für neue Energietechnologien der Zukunft.

Die dynamische Entwicklung unseres Universums wird durch nichtlineare physikalische Prozesse gesteuert, die auf unterschiedlichsten Zeitskalen, von Sekundenbruchteilen bis hin zu Milliarden von Jahren, ablaufen. Wie beeinflusst deren Kopplung das heutige Universum?

Der Meeresboden ist die größte Schnittstelle im Erdsystem, an der physiobiogeochemische Prozesse Stoffkreisläufe und Klimadynamik bestimmen. Der Cluster erzielt neues Prozessverständnis der Rolle des Ozeans im globalen Haushalt von Energie, Kohlenstoff und anderen Elementen sowie deren dynamischen Änderungen unter Erderwärmung.

Das zentrale Ziel des Clusters ist es, emergentes Verhalten der Materie zu verstehen und – noch einen Schritt weiter – dynamisch neue Funktionalitäten zu schaffen.

Neue Materialien mit maßgeschneiderten Funktionalitäten bilden die Grundlage modernerTechnologien, von der Informationsverarbeitung über die Energieversorgung bis zu Mobilität. Die Festkörperphysik, Wegbereiter vieler bedeutender technologischer Durchbrüche, hat das revolutionäre Konzept der Topologie eingeführt: Materialien können faszinierende und robuste globale Eigenschaften aufweisen, die nicht in lokalen Messungen sichtbar sind.

Woraus besteht Materie? Wie entstand das Universum und welche Kräfte wirken in ihm? Was ist der Ursprung von allem, was wir beobachten? Schon immer haben sich Menschen diese Fragen gestellt. Inzwischen beschreibt das Standardmodell der Teilchenphysik die Wechselwirkungen zwischen den fundamentalen Bausteinen der Materie, den Quarks und Leptonen. Doch es lässt zentrale Fragen offen: Wie genau bildet sich Materie durch die starke „Color“-Kraft? Wie entstand die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum, und wie hängt sie mit den verschiedenen Arten („Flavors“) der Quarks zusammen? Gibt es noch unentdeckte Teilchen oder Kräfte?

Die Zukunft von uns Menschen, der Tier- und Pflanzenwelt und aller nachfolgenden Generationen hängt wesentlich davon ab, wie sich das Klima auf der Erde verändert. Welche Entwicklungen sind dabei plausibel und wie können gewünschte Klimazukünfte realisiert werden? Diese Fragen sind mit vielen Unsicherheiten verbunden. Um Entscheidungen zu treffen, müssen wir Menschen die Lage realistisch einschätzen, wissen, was auf uns zukommt und welche Gestaltungsmöglichkeiten wir haben. Im Exzellenzcluster „Climate, Climatic Change, and Society“ (CLICCS) an der Universität Hamburg widmen sich die Forschenden diesen komplexen Fragen in einer besonderen Kombination aus fachlicher Tiefe und interdisziplinärer Vielfalt.

Chiralität bezeichnet die Eigenschaft eines Objekts, sich von seinem Spiegelbild zu unterscheiden. Sie ist in der Natur allgegenwärtig und findet sich in Elementarteilchen, Molekülen sowie biologischen Strukturen. Chiralität manifestiert sich in vielen physikalischen Phänomenen und führt zu einer intrinsischen Stabilität gegenüber äußeren Störungen. Weltweit haben chirale Materialien großes Interesse geweckt.