Heutige Laser erreichen Intensitäten, die vielen tausend Sonnen entsprechen. Damit wird die Untersuchung extremer und physi­kalisch hochkomplexer Zustände ‒ vergleich­bar mit dem Inneren von Sternen und Planeten ‒ im Labor möglich. Gemeinsam mit theoretischen Methoden, Computer­simula­tionen und astronomischen Beobach­tungen erlaubt dies Rückschlüsse auf die Bildung und Entwicklung der Himmels­körper bis hin zur Entstehung von Leben. Die relevanten Plasmazustände sind ebenso bedeutsam für wichtige Anwendungen, z. B. die Entwick­lung kompakter Röntgenquellen und Teil­chenbeschleuniger sowie die Erzeu­gung sauberer Energie durch Fusion.

Ultrakurze intensive Laserpulse ermöglichen das „Fil­men“ von Abläufen auf atomarer Ebene in Echtzeit mit Attosekundenauflösung (10 ^-18 s). Man kann z. B. verfolgen, wie sich Elektronen bewegen oder Atome neu anord­nen. Darüber hinaus führen stark nichtlineare Prozesse zur Emission kohärenter, kurzwel­liger Strahlung, die einem Vielfachen der Energie der einfal­lenden Photonen entspricht und Informa­tionen über die Struktur und Dynamik der bestrahlten Materie enthält.

Die Studienrichtung führt in die moder­nen theore­tischen und experimentellen Methoden ein, welche u. a. in Hochleistungs­rechnern und in Großforschungszentren wie dem European XFEL zum Einsatz kommen.