Die Atom- und Molekülphysik untersucht die Struktur und Wechselwirkungen der atomaren und molekularen Materie-Bausteine auf fundamentalem Niveau. Gleichzeitig sind die aus atom- und molekülphysikalischen Studien gewonnenen Daten für eine Vielzahl von Forschungsgebieten von großem Interesse wie beispielsweise der Astrophysik, der Atmosphärenphysik, der Laserphysik oder der Fusionsforschung.

In der modernen atom- und molekülphysikalischen Forschung variiert der Komplexitätsgrad der untersuchten Systeme erheblich. Selbst das einfachste atomare System, das (Anti-)Wasserstoffatom, ist immer noch Gegenstand aktueller Forschung. Die Präzision moderner Messmethoden und theoretischer Berechnungsverfahren erlaubt hier Fragestellungen, die bis an die Wurzeln unseres physikalischen Weltbildes heranreichen. Am anderen Ende der Komplexitätsskala befinden sich mit den Makromolekülen die Bausteine des Lebens.

Der experimentellen Atom- und Molekülphysik steht heutzutage ein umfangreiches Instrumentarium moderner Messmethoden zur Verfügung. Das Einfangen und Speichern von Atomen, Molekülen oder Ionen in Fallen und Speicherringen erlaubt eine präzise Kontrolle und Manipulation der inneren und äußeren Freiheitsgrade, so dass die atomaren und molekularen Wechselwirkungen an wohl definierten Systemen studiert werden können. Ultrakurze Lichtpulse von Röntgenlasern erlauben die Beobachtung inneratomarer Vorgänge in Echtzeit, und neuartige Detektorsysteme gestatten die vollständige kinematische Analyse atomarer und molekularer Stoßvorgänge. Mit hochbrillianten Laser- und Synchrotronstrahlen sowie mit kalten Elektronenstrahlen können sehr dünne Targets detailliert untersucht werden.

Die Vertiefungsrichtung "Atom-, Plasma- und Raumfahrtphysik" soll die Studierenden gezielt an die moderne atom- und molekülphysikalische Forschung und ihre Anwendungen in der Plasma-, Astro- und Raumfahrtphysik heranführen. Die das im Bachelor-Studium Gelernte vertiefenden und erweiternden theoretischen und praktischen Kenntnisse werden in Übungen, Vorlesungen, Seminaren und Praktika vermittelt. Ein zentraler Aspekt ist die Arbeit im Forschungslabor, die zunächst unter Anleitung und dann zunehmend selbstständig erfolgt. Das Institut für Atom- und Molekülphysik verfügt über die dazu notwendingen modernen Forschungsapparaturen sowie darüber hinaus über Kontakte zu auswärtigen Großforschungseinrichtungen, so dass die Studierenden auch Einblicke in die Forschung an modernen Großgeräten erhalten können. Am I. Physikalischen Institut  werden in einem industrienahen Umfeld Ionentriebwerke für die Raumfahrt entwickelt.