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From Brain Function and Communication Networks to Power Grids

New Strategic Chair for Network Dynamics at TU Dresden´s cfaed / Inaugural Lecture on 24th of October

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The TU Dresden (TUD) has extended the Center of Excellence Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) by a fifth Strategic Professorship. Prof. Marc Timme from the Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization in Göttingen moved to the Elbe river in July 2017 and will continue his internationally successful research in the field of network dynamics at the TUD under the umbrella of cfaed. With the beginning of the current winter semester, his first courses start in Dresden.

The term "net" or "network" often triggers very distinct associations with different people - depending on the personal background, areas of interest and environment. Some might think of their mobile phone connectivity, others of their social contacts, and the first thing that yet others associate is their IT department. Furthermore, large cable routes for electric power supply, railway networks or nerve cell networks in the brain constitute possible links.

This little thought experiment highlights the large variety of interpretations of the term „network“. Countless processes and structures in our natural and technical environments can be regarded as networks. Both on a large and on a small scale, they are based primarily on the basic idea that often similar elements are interconnected in a complicated way. These interconnections are usually redundant. Between two elements, there are several or even multiple possible ways of passenger, matter, energy or information transport. “Here is where complexity enters the game. If the nodes are dynamic, and perhaps even the connectivity of the network dynamically changes, system-wide self-organization processes emerge, and it takes sophisticated methods and new perspectives to understand them", explains Marc Timme.

This is the starting point for his work in the field. A fundamental understanding of the structure and dynamics of complex networks in physics and biology, as well as in man-made technical and social networks, is the objective. The analysis and modelling of networked systems, in particular neuronal circuits and future-oriented power grids but also flexible and networked mobility, are important research areas of the Chair.

As an additional emphasis, new kinds of analytical methods and mathematical tools are developed to help understand these highly complex systems. On the abstract level of mathematics, questions from various fields of application often exhibit similarities. In this way, the acquired mathematical findings help to transfer conclusions from one field of application to another and thus bridge and unite different research areas. To demonstrate this, Timme mentions a surprising example: "Our research group has transferred the finding of Braess` paradox, known from the transport sciences, to alternating current (AC) power grids. The entrepreneur scientist Dietrich Braess has observed that contrary to expectation, traffic congestions may emerge because an existing construction site or a road block is removed i.e. an additional street adds to the street network. Recently, we have discovered that a related effect also occurs in power transmission grids. If a new transmission line is added to a power grid, line overloads can occur even at remote points in the grid. This knowledge can now be used to improve grid planning."

With its broad, interdisciplinary approach, the new Chair optimally fits into the Cluster of Excellence cfaed, because it strives for creating diverse fruitful connections. On the one hand, the cfaed is exploring the entire development chain of state-of-the-art electronics, from materials to components to complex systems. On the other hand, very different concepts, methods and systems are being explored, through the "More Shots on Goal" approach and the current division into nine main research areas. Silicon nanowires, graphene, as well as new kinds of communication strategies help developing the modern, highly networked electronic systems. Prof. Timme and his team will significantly contribute to the research path "Biological Systems" and the Chair will likely develop many links to other fields. At cfaed, such links are explicitly desired.


Inaugural Lecture

On 24 October 2017 Prof. Timme will give his public inaugural lecture at the TU Dresden. This is titled "Nonlinear Dynamics of Power Grids -- Braess' Paradox, Critical Links and Nonlocal Rerouting" and will be held from 4:40 pm to 6:10 pm in lecture hall C213 in Recknagel-Bau, Haeckelstr. 3. The presentation will be held in English.
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About Prof. Dr. rer. nat. Marc Timme, MA

Having studied physics and applied mathematics at the University of Würzburg and the State University of New York at Stony Brook, USA, Marc Timme gained his doctorate with distinction (summa cum laude) in Theoretical Physics at the University of Göttingen. After two research stays at the Max Planck Institute for Flow Research and at Cornell University (USA), he was appointed one of four scientists in Germany to head a Max Planck Research Group at the Max Planck Society's chemical, physical and technical section. Consequently, he established a broadly cross-disciplinary research group on Network Dynamics at the Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization in Göttingen. Shortly afterwards, Marc Timme became an Adjunct Professor at the Institute for Nonlinear Dynamics at the University of Göttingen and is the Co-Chair of the Association of Socio-Economic Physics of the Deutsche Physikalische Gesellschaft e.V. (German Physical Society) since more than three years. For his research, he was awarded the Research Prize of the Berliner Ungewitter Foundation, the Otto Hahn Medal of the Max Planck Society, and a Research Fellowship of the National Research Center of Italy.

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Press Contact:

Prof. Marc Timme
Phone: +49 (0)351 463-33846

Matthias Hahndorf
cfaed Communications Officer
Phone: +49 (0)351 463 42847


About cfaed

cfaed is a microelectronics research cluster funded by the German Excellence Initiative. It comprises 11 cooperating institutes in Saxony. About 300 scientists from more than 20 countries investigate new technologies for electronic information processing. These technologies are inspired by innovative materials such as silicon nanowires, carbon nanotubes or polymers or based on completely new concepts such as the chemical chip or circuit fabrication methods by self-assembling structures such as DNA-Origami. The orchestration of these new devices into heterogeneous information processing systems with focus on their resilience and energy-efficiency is also part of cfaed’s research program which comprises nine different research paths.


Deutsche Version

Von der Hirnfunktion zu Kommunikations- und Stromnetzen

Neue Strategische Professur für Netzwerk-Dynamik am cfaed der TU Dresden / Antrittsvorlesung am 24. Oktober

Die TU Dresden (TUD) hat das Exzellenzcluster Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) um eine fünfte Strategische Professur erweitert. Prof. Marc Timme vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen wechselte dafür im Juli 2017 an die Elbe und wird seine international erfolgreichen Forschungen auf dem Gebiet der Netzwerk-Dynamik nun an der TUD unter dem Dach des cfaed fortsetzen.

Der Begriff „Netz“ oder „Netzwerk“ löst bei verschiedenen Menschen oft sehr unterschiedliche Assoziationen aus – je nach persönlichem Hintergrund, Interessensgebieten und Umfeld. Die einen werden an ihren Handyempfang, andere an ihre sozialen Kontakte denken, wieder anderen kommt vielleicht als erstes ihre IT-Abteilung in den Sinn. Auch die großen Kabeltrassen für die Energieversorgung, das Streckennetz der Eisenbahn oder die Nervennetze im Gehirn wären mögliche Verknüpfungen.

Dieses kleine Gedankenexperiment zeigt, wie unterschiedlich der Begriff des Netzwerks besetzt sein kann. Unzählige Prozesse und Strukturen in unserer natürlichen wie auch unserer technischen Lebenswelt können als Netzwerke betrachtet werden. Im großen Maßstab wie im kleinen basieren sie auf der zunächst simplen Idee, dass oft ähnliche Elemente auf komplizierte Weise untereinander verschaltet sind. Diese Verschaltungen sind im Normalfall redundant; zwischen zwei Knoten gibt es also mehrere oder gar eine Vielzahl möglicher Wege zum Personen-, Materie-, Energie- oder Informationstransport. „Spätestens hier wird es komplex. Wenn die Knoten dynamisch sind und sich vielleicht sogar auch die Verschaltungsstruktur der Netzwerke selbst dynamisch ändert, entstehen System-übergreifende Selbstorganisationsprozesse, und es braucht ausgefeilte Methoden und neue Perspektiven, sie zu verstehen“, erläutert Marc Timme.

An dieser Stelle setzt sein Arbeitsgebiet an. Angestrebt wird ein fundamentales Verständnis der Struktur und Dynamik komplexer Netzwerke in Physik und Biologie sowie in menschengemachten technischen und sozialen Netzwerken. Die Analyse und Modellierung vernetzter Systeme, insbesondere neuronaler Schaltungen und zukunftsfähiger Stromnetze, aber auch flexible und vernetzte Mobilität sind wesentliche Forschungsfelder des Lehrstuhls.

Als weiterer Schwerpunkt werden neuartige Analysemethoden und mathematische Werkzeuge entwickelt, die zum Verständnis dieser hochkomplexen Systeme beitragen können. Auf der abstrakten Ebene der Mathematik weisen dann Fragestellungen aus verschiedensten Anwendungsbieten oft Gemeinsamkeiten auf. So helfen die erarbeiteten mathematischen Erkenntnisse, Einsichten aus einem Anwendungsgebiet in ein anderes zu übertragen und dadurch verschiedenartige Forschungsgebiete zu überbrücken und zusammenzuführen. Dafür nennt Timme ein überraschendes Beispiel: „Das Braess’sche Paradoxon, das aus den Verkehrswissenschaften bekannt war, hat unsere Arbeitsgruppe auf Wechselstromnetze übertragen: der Unternehmensforscher Dietrich Braess hatte festgestellt, dass Staus entgegen der Intuition dadurch entstehen können, dass man eine existierende Baustelle oder Straßensperre entfernt, also eine zusätzliche Straße freigibt. Wir haben nun kürzlich entdeckt, dass ein verwandter Effekt auch in Übertragungsnetzen für elektrischen Strom auftritt; fügt man eine neue Übertragungsleitung einem Stromnetz hinzu, so kann es zu Leitungsüberlastungen an ganz anderen Stellen im Netz kommen. Diese Einsichten können nun zur besseren Planung des Netzausbaus dienen.“

Mit seinem breiten, interdisziplinären Ansatz passt die neue Professur daher optimal zum Exzellenzcluster cfaed, denn hier ergeben sich vielfältige Anknüpfungspunkte. Einerseits wird im Cluster vom Material über Bauelemente bis hin zu komplexen Systemen an der gesamten Entwicklungskette modernster Elektronik geforscht. Andererseits werden aufgrund des „More Shots on Goal“-Ansatzes und der Aufteilung in aktuell neun Hauptforschungsbereiche sehr unterschiedliche Konzepte, Methoden und Systeme erforscht – wie z.B. Silikon-Nanodrähte, Graphen, aber auch neuartige Kommunikationsstrategien in hochvernetzten elektronischen Systemen. Prof. Timme wird mit seiner Gruppe maßgeblich zum Forschungspfad „Biologische Systeme“ beitragen und voraussichtlich viele Querverbindungen zu den anderen Bereichen erarbeiten. Diese sind am cfaed ausdrücklich gewünscht.



Am 24. Oktober 2017 wird Prof. Timme seine öffentliche Antrittsvorlesung an der TU Dresden halten. Diese steht unter dem Titel „Nonlinear Dynamics of Power Grids -- Braess' Paradox, Critical Links and Nonlocal Rerouting“ und findet von 16:40 Uhr bis 18:10 im Hörsaal C213 im Recknagel-Bau, Haeckelstr. 3, statt. Die Vortragssprache ist Englisch.
Link zur Veranstaltungsinfo:


Kurzvita Prof. Dr. rer. nat. Marc Timme, MA

Nach einem Studium der Physik und Angewandten Mathematik an der Universität Würzburg und der State University of New York in Stony Brook, USA, absolvierte Marc Timme die Promotion in Theoretischer Physik an der Universität Göttingen mit Auszeichnung. Nach zwei Forschungsaufenthalten am Max-Planck-Institut für Strömungsforschung und an der Cornell University (USA), wurde er als einer von vier Wissenschaftlern deutschlandweit zum Leiter einer Max-Planck-Forschungsgruppe der Chemisch-Physikalisch-Technischen Sektion der Max-Planck-Gesellschaft berufen und baute eine fachlich breit gefächerte Arbeitsgruppe zur Dynamik vernetzter Systeme am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen auf. Kurz darauf wurde er außerplanmäßiger Professor am Institut für Nichtlineare Dynamik der Universität Göttingen und ist seit drei Jahren im Vorsitz des Fachverbandes Sozio-Ökonomische Physik der Deutschen Physikalischen Gesellschaft aktiv. Für seine Arbeiten wurde er unter anderem mit dem Forschungspreis der Berliner-Ungewitter-Stiftung, der Otto-Hahn-Medaille der Max-Planck-Gesellschaft, und einem Research Fellowship des Nationalen Forschungszentrums von Italien ausgezeichnet.
Link zum Lehrstuhl:

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Prof. Marc Timme
Phone: +49 (0)351 463-33846

Matthias Hahndorf
cfaed Communications Officer
Phone: +49 (0)351 463 42847


Über das cfaed

Zum Exzellenzcluster für Mikroelektronik der Technischen Universität Dresden gehören elf Forschungsinstitute, darunter die Technische Universität Chemnitz sowie zwei Max-Planck-Institute, zwei Fraunhofer-Institute, zwei Leibniz-Institute und das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Auf neun verschiedenen Pfaden forschen rund 300 Wissenschaftler nach neuartigen Technologien für die elektronische Informationsverarbeitung. Sie verwenden dabei innovative Materialien wie Silizium-Nanodrähte, Kohlenstoff-Nanoröhren oder Polymere. Außerdem entwickeln sie völlig neue Konzepte, wie den chemischen Chip oder Herstellungsverfahren durch selbstassemblierende Strukturen, bspw. DNA-Origami. Ziele sind zudem Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und das reibungslose Zusammenspiel der unterschiedlichen Bauelemente. Darüber hinaus werden biologische Kommunikationssysteme betrachtet, um Inspirationen aus der Natur für die Technik zu nutzen. Dieser weltweit einzigartige Ansatz vereint somit die erkenntnisgetriebenen Naturwissenschaften und die innovationsorientierten Ingenieurwissenschaften zu einer interdisziplinären Forschungsplattform in Sachsen.

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