August/September 2020

Die Dichte eines Molekülorbitals lässt sich mit der Rastertunnel­mikroskopie mit abwechselnder Ladung durch einzelne Elektronen bestimmen (vgl. S. 55).

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Zur Ausgabe

Meinung

Linus Kemme und Max Bodenstein
08 / 2020 Seite 3

Nachhaltigkeit mit Struktur

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Aktuell

Kerstin Sonnabend
08 / 2020 Seite 6
DPG-Mitglieder

Ein Blick in die nahe und ferne Zukunft

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Alexander Pawlak / Helmholtz
08 / 2020 Seite 7
DPG-Mitglieder

Künstliche Intelligenz kollaborativ

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Anja Hauck
08 / 2020 Seite 8
DPG-Mitglieder

Forschung in Meer und Eis

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Kerstin Sonnabend
08 / 2020 Seite 10
DPG-Mitglieder

Maßgeschneiderte Lösungen mit Licht

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DLR
08 / 2020 Seite 10
DPG-Mitglieder

Neue DLR-Institute

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GWK
08 / 2020 Seite 11
DPG-Mitglieder

Konsortien für Forschungsdaten

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Maike Pfalz / DLR
08 / 2020 Seite 11
DPG-Mitglieder

Sonnenforschung im Fokus

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Helmholtz-Gemeinschaft
08 / 2020 Seite 12
DPG-Mitglieder

Sprungbrett für Transfer

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Maike Pfalz / DLR
08 / 2020 Seite 12
DPG-Mitglieder

Machbare Energiewende

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Kerstin Sonnabend
08 / 2020 Seite 13
DPG-Mitglieder

Ein Puzzle mit mehr als zehn Millionen Teilen

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Alexander Pawlak / Helmholtz
08 / 2020 Seite 14
DPG-Mitglieder

Gedenken in Zeiten von Corona

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Alexander Pawlak / Helmholtz
08 / 2020 Seite 15
DPG-Mitglieder

Leitfaden für die Energiewende

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DLR / Alexander Pawlak
08 / 2020 Seite 16
DPG-Mitglieder

Pluto ... und darüber hinaus

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Matthias Delbrück
08 / 2020 Seite 16
DPG-Mitglieder

Neutronen und Photonen liiert

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Matthias Delbrück
08 / 2020 Seite 17
DPG-Mitglieder

On the Roadmap again

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Matthias Delbrück
08 / 2020 Seite 17
DPG-Mitglieder

Mars macht mobil

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Matthias Delbrück
08 / 2020 Seite 18
DPG-Mitglieder

USA

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Alexander Pawlak / Helmholtz
08 / 2020 Seite 19
DPG-Mitglieder

Der Drache ist gelandet

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Leserbriefe

Dr. Frederik Busse, Dr. Harry Paul, Dr. Andreas Büchtemann, Prof. Dr. Günter Nimtz, Dr. Sabine Hossenfelder, Dr. Markus Hugenschmidt
08 / 2020 Seite 20
DPG-Mitglieder

Die Sprache der Physik

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Gunter Urbasch
08 / 2020 Seite 21
DPG-Mitglieder

Modelle mit Möglichkeiten

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High Tech

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Brennpunkt

Matthias Weidemüller
08 / 2020 Seite 24
DPG-Mitglieder

Kollektiv an den kritischen Punkt

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Matthias Steinmetz
08 / 2020 Seite 26
DPG-Mitglieder

Lückenlose Entstehungsgeschichte

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Jürgen Schaffner-Bielich
08 / 2020 Seite 28
DPG-Mitglieder

Quarkmaterie im Kern massiver Neutronensterne

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Preisträger

Andrzej J. Buras
08 / 2020 Seite 32
DPG-Mitglieder

Expedition to the Zeptouniverse

The Large Hadron Collider (LHC) at CERN will directly probe distance scales as short as 10–19 m, correspon­ding to energy scales at the level of a few TeV. Presently, higher resolution can only be achieved with the help of quantum fluctuations caused by new particles and new forces that act at very short distance scales and modify the predictions of the Standard Model of particle physics for very rare processes. In this context, weak decays of mesons and leptons play the prominent role besides the transitions between particles and antiparticles in which flavours of quarks and leptons are changed. In this manner, information about the Zeptouniverse corresponding to energy scales as high as 200 TeV or distances as small as 10–21 m can be obtained.

The year 1676 was very important for humanity, be­cause Antoni van Leeuwenhoek discovered the empire of bacteria. He called these small creatures animalcula (small animals). His discovery was a milestone in our civilization for at least two reasons: He discovered creatures invisible to us which have been killing humans for thousands of years, often responsible for millions of deaths in one year. While Antoni van Leeuwenhoek did not know that bacteria could be dangerous for humans, his followers like Louis Pasteur, Robert Koch and other „microbe hunters realized the danger coming from these tiny creatures and also developed weapons against this empire [1].

Van Leeuwenhoek was the first human who looked at short distance scales invisible to us and discovered thereby a new underground world. At that time, researchers looked mainly at large distances, discovering new planets and find­ing laws, such as the Kepler laws which Isaac Newton was able to derive from his mechanics. (...)

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Dieter Bimberg
08 / 2020 Seite 39
DPG-Mitglieder

Von Quantenpunkten zu Quantentechnologien

Die Eigenschaften elektronisch nulldimensionaler Quantenpunkte in Halbleiter-Heterostrukturen unterscheiden sich fundamental von jenen in höherdimensio­nalen Strukturen wie Quantengräben. In Quantenpunkten ist die Energie von Ladungsträgern keine Funktion des Impulses. Ihre Eigenschaften gleichen jenen von Atomen, die in einer dielektrischen Matrix eingebettet sind. Basierend auf Gasphasen- oder Molekularstrahl­epitaxie wurden in den letzten Jahren photonische und elektronische Bauelemente entwickelt, die völlig neue Anwendungen ermöglichen. Dazu gehören Quantenkryptographie, neuartige nichtflüchtige Speicher und ein energieeffizientes, hochbitratiges Internet.

Das Zeitalter der Informationsgesellschaft ab Mitte des 19. Jahrhunderts begann mit der Entwicklung siliziumbasierter Verbindungen und Technologien. Die Herstellung inte­grierter elektronischer Schaltkreise (Si-ICs) begann vor etwa 60 Jahren. Zu ihren ersten kommer­ziellen Anwendungen gehörten Hörgeräte. Heute sind siliziumbasierte integrierte Schaltkreise Bestandteil fast aller Alltagsgegenstände und Grundlage der Informationsgesellschaft.

Verfahren wie Mole­kularstrahlepitaxie (MBE) oder Gasphasenepitaxie (MOCVD) zur Herstellung von Materialien, deren Ausdehnung in allen drei Raumdimen­sionen nur wenige Nano­meter beträgt, also von „null­dimensionalen“ Quantenpunkten, und deren Einbettung in andere Materia­lien, eröffnen heute völlig neue Möglichkeiten, quanten­mechanische Effekte einzusetzen. Ziel dabei ist es, elektronische und damit auch optische und elektrische Eigenschaften komplexer Strukturen gezielt zu ändern [1]. Diese Eigenschaften hängen von der Form und Größe der Quantenpunkte ab. Deren Ausdehnung in allen drei Raumrichtungen sollte unter der De-Broglie-Wellenlänge der Ladungsträger liegen, damit die Quantenmechanik dominiert. Quantenpunkte ermöglichen neuartige elektronische und photonische Bauelemente. (...)

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H.-Jürgen Kluge
08 / 2020 Seite 46
DPG-Mitglieder

Fünfzig Jahre Optische Spektroskopie an Beschleunigern

Im April 1970 ging ich als frisch gebackener Postdoc zum CERN, um an einem Experiment zu arbeiten, das der Experimentalphysiker Ernst Otten von der Universität Mainz konzipiert, initiiert und auf den Weg gebracht hatte. Dass dieses Erfolg haben würde, war damals nicht vorhersehbar. Aber nach harter Arbeit und etlichen Frustrationen funk­tionierte es und eröffnete das neue Forschungsgebiet der atomphysikalischen Untersuchung von Kerngrundzustands­eigenschaften kurzlebiger Radionuklide, die sich mittels Beschleuniger herstellen lassen.

Seit den Anfängen der modernen Physik spielte die Atomphysik eine wichtige Rolle für unser heutiges Wissen über den Atomkern. Anfangs lieferten insbesondere die Massenspektrometrie, die Atomstrahl-Magnet­resonanz und die optische Spektroskopie Informationen über die statischen Eigenschaften stabiler Kerne, also über deren Masse, Größe, Form, Momente und Drehimpuls. Während die Masse durch die Ablenkung von Ionenstrahlen in elektrischen und magnetischen Feldern gemessen wurde, ließen sich der Kernspin und das magnetische Moment durch die Ablenkung von Atomstrahlen in Magnetfeldgradienten wie beim Stern-Gerlach-Effekt oder auch mithilfe der Hoch­frequenz-Spektroskopie aus der Hyperfeinstruktur der atomaren Niveaus bestimmen. Informationen über die Größe und Form der Kerne lieferte die optische Spektroskopie. Sie erlaubte es, die Isotopenverschiebung und die Hyperfeinstruktur der Spektrallinien zu untersuchen. Diese Daten sind modellunabhängig und stellen somit Fixpunkte auf der Nuklidkarte dar, um Kernmodelle zu entwickeln oder die starke Wechselwirkung zu testen.

Nur allmählich gelang es, diese Techniken auf radio­aktive Kerne anzuwenden, um deren Grundzustands­eigenschaften zu bestimmen: Sehr früh war es möglich, die Massen eines radioaktiven Tochterisotops mithilfe der Beziehung E = mc2 relativ zum Mutterkern zu messen, indem die Energiebilanz ihrer Zerfälle untersucht wurde. Dafür gilt es, beim Betazerfall das kontinuierliche Energie­spektrum der β-Teilchen in Koinzidenz mit der entstehenden γ-Kaskade aufzunehmen, den Endpunkt des β-Spektrums zu bestimmen oder beim α-Zerfall die Energien der α-Teilchen bzw. bei Kernreaktionen den ­Energieübertrag zu messen. (...)

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Priscilla Pani
08 / 2020 Seite 51
DPG-Mitglieder

On top of Dark Matter

In the last century, high-energy physics has made incredible steps forward towards the comprehension of the nature of our universe, its matter content and interactions. This development culminated with the discovery of a Higgs boson by the Large Hadron Collider experiments completing the last piece of the particle puzzle. Nevertheless, the Standard Model of particle physics cannot explain the existence of Dark Matter yet. Uncovering the identity of this kind of matter is a central and grand challenge for both fundamental physics and astronomy.

The nature and properties of Dark Matter are largely unknown: proposed candidates span tens of orders of magnitude in mass, ranging from elementary particles infinitesimally lighter than electrons to massive primordial black holes [1]. One of the most compelling candidates is a new class of subatomic particles: weakly interacting massive particles (WIMPs). WIMPs represent the current paradigm for searches for Dark Matter particles. They are up to a hundred times heavier than protons and only interact weakly with ordinary particles. Presumably, they were produced in the early universe.

To understand Dark Matter is a multi-disciplinary effort involving different and complementary experimental techniques. Direct searches rely on the distribution of Dark Matter in the Milky Way exposing the Earth to a constant high flux of Dark Matter particles. Direct detection experiments aim to detect their elastic scattering off nuclei in specialised low background detectors. Indirect searches are based on the annihilations or decays of Dark Matter particles in astrophysical systems. Various ground and space-based specialised instruments monitor the frequency of such events. Collisions in high-energy particle accelerators like the Large Hadron Collider (LHC) might create particles which were present in the early universe. (...)

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Laerte L. Patera
08 / 2020 Seite 55
Pro-Physik-Mitglieder

Wirkungsvoller Elektronentransfer

Der Elektronentransfer spielt eine wichtige Rolle bei chemischen Prozessen wie der Korrosion, Photosynthese oder Zellatmung. Wie er auf einzelne Moleküle und deren elektronische Eigenschaften wirkt, ist jedoch weitgehend unklar. Eine neuartige experimentelle Technik erlaubte es zu untersuchen, wie Überschussladungen einzelne Molekülorbitale beeinflussen.

Materie besteht aus Atomen, die zu Molekülen und Festkörpern zusammengefügt sind. Tatsächlich ist es häufig energetisch günstiger, dass die Atome starke Bindungen untereinander bilden. Hierbei nutzen die Atome Elektronen gemeinsam und können dadurch eine stabilere elektronische Konfiguration erreichen. Dies ist über die Quantennatur der Elektronen zu  verstehen: In der Quantenmechanik wird die räumliche Verteilung der Elektronen um die Kerne in Form von Wahrscheinlichkeitsverteilungen, gegeben durch die Wellenfunktionen, beschrieben. Sie drücken außerdem die Wellennatur der Elektronen aus. Ein Orbital ist durch einen Satz von drei Quantenzahlen (n, l, m) definiert, wobei zwei davon dem Drehimpuls und der Vektorkomponente des Drehimpulses des Elektrons entsprechen. Jedes Orbital kann maximal zwei Elektronen enthalten. Je nach Drehimpuls-Quantenzahl l = 0, 1, 2 und 3 bezeichnet man die Orbitale mit s, p, d und f. Bei zwei oder mehr Atomen können molekulare Zustände aus einer Kombination von Atomorbitalen entstehen.

Beim Wasserstoffmolekül werden ausgehend von zwei isolierten Wasserstoffatomen die atomaren s-Orbitale zu zwei Molekülorbitalen zusammengefügt – dem bindenden und antibindenden Zustand (Abb. 1a). Der Bindende resultiert aus einer konstruktiven Überlagerung zwischen den beiden atomaren Wellenfunktionen, die eine Akkumulation der Elektronendichte zwischen den beiden Kernen verur­sacht. Dies führt zu einem Energiegewinn, der die Bildung einer Bindung bewirkt. (...)

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Takashi Kumagai
08 / 2020 Seite 59
DPG-Mitglieder

Turn on Nanolight in a Tiny Gap

Nanolight originates from localized surface plasmon excitation in metallic nanostructures. It possesses great potential for local optical spectroscopy down to the single-molecule level and for the enhancement of photophysical and photochemical processes such as solar energy conversion and photocatalytic reactions. Sophisticated experiments combine scanning tunneling microscopy with laser optics and allow the direct in­vestigation of the microscopic mechanisms of nanolight-driven phenomena in plasmonic nanogaps. In addition, it is possible to perform optical spectromicroscopy at an unprecedented spatial resolution.

Confining light into a small volume enhances the interaction of light and matter. Versatile applications range from imaging and spectroscopy to optoelectronic devices and photocatalysis. With conventional optics, the spatial confinement of light is limited to a few hundred nanometers due to the diffraction limit. To realize a further confinement and to turn on “nanolight”, metallic nanostructures can generate localized electromagnetic fields at the nanoscale through collective electron oscillations, so-called surface plasmons [1]. If a localized surface plasmon resonance efficiently couples to propagating light, the electromagnetic fields are confined to a sub-wavelength scale.

The advancement of highly precise fabrication techniques of metallic nanostructures has fueled the rapid growth of plasmonics and nanophotonics in the last few decades [2]. Plasmonic nanogaps formed between metallic nanoparticles are of particular interest to fundamental physics and applications because of an extreme field enhancement (Fig. 1a). They enable single-molecule detection as well as an enhancement of photophysical and photochemical processes by orders of magnitude. (...)

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David Scholz
08 / 2020 Seite 63
DPG-Mitglieder

Computersimulation von Hämatit

In der Debatte zur Ener­giewende spielen Lithium-Ionen-Akkus eine wichtige Rolle. Hämatit gilt aufgrund seiner hohen Ladungskapazität als mögliches Anodenmaterial anstelle von Graphit. Seine vorteilhaften Materialeigenschaften, die niedrigen Kos­ten und die unproblematische Entsorgung machen das Mineral für weitere Anwendungsfelder interessant. Die aktuelle Forschung zielt darauf ab, die Eigenschaften unterschiedlicher Hämatit-Oberflächen besser zu verstehen und damit neue Anwendungen in der Sensorik und in der Katalyse zu ermöglichen.

Bereits die Neandertaler verwendeten Hämatit (α-Fe2O3) in einer Mischung mit Ton in Form von rotem Ocker (Rötel) als Pigment. Die tiefrote Färbung gab dem eisenhaltigen Mineral Hämatit – auch Blutstein genannt – seinen Namen. Hämatit kristallisiert in der Korundstruktur, es ist also ebenso wie Korund (α-Al2O3) im trigonalen Kristallsystem aufgebaut, das durch eine hexagonale Elementarzelle beschreibbar ist. Neben Magnetit ist Hämatit das wichtigste Eisenerz. Hämatit ist anti­ferromagnetisch. Oberhalb der sog. Néel-Temperatur von 960 K wird es paramagnetisch. Darunter weist Hämatit einen schwachen Ferromagnetismus auf, da seine magnetischen Momente leicht verkippt sind. Dieser schwache Ferromagnetismus geht unterhalb der Morin-Temperatur von 260 K verloren. Die hohe spezifische Oberfläche von Hämatit-Nanokristallen sowie die Korrosionsbeständigkeit bieten Vorteile für technologische Anwendungen. Zudem ist Hämatit kostengünstig und nicht giftig.

Vor allem in der Katalyse, der licht­induzierten Spaltung von Wasser, als chemischer oder magnetischer Sensor und als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien kommt Hämatit infrage [1, 2]. In einer aktuellen Arbeit wurden kristalline Hämatit-Oberflächen mit verschiedenen Millerschen Indizes mittels Hartree-Fock-Methode und einer a-posteriori-Berechnung der Korrelationsenergie simuliert. Die Millerschen Indizes geben die Orientierung einer Oberfläche im Kristallgitter an. (...)

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Forum

Kerstin Sonnabend
08 / 2020 Seite 66
DPG-Mitglieder

Digital von Null auf Hundert

Sommersemester, Beginn der Vorlesungszeit: Nach der kurzen Pause im Frühjahr tummeln sich die Studierenden wieder auf dem Campus, die Hörsäle sind gut besetzt. Doch in diesem Jahr war alles anders – Stille herrschte auf den Gängen; die Corona-Pandemie hatte auch die Universitäten erreicht. Das Sommersemester hat zwar stattgefunden, aber weitgehend ohne Präsenzveranstaltungen. Anfang April beschloss die Kultusministerkonferenz nach längeren Diskussionen während des Lockdowns ein „digitales Semester“.

So schnell der Beschluss gefasst war, so schwierig ließ er sich in der Kürze der Zeit in die Praxis umsetzen. Viele Lehrende stellten zwar auch schon vorher Materialien zu Vorlesungen und Übungen online zur Verfügung. In den Natur­wissenschaften gibt es zu den meisten Veranstaltungen Internetseiten, die sich im Laufe des Semesters dynamisch entwickeln und zum Ende hin ein buntes Potpourri an Unterlagen, Hyperlinks und Literaturempfehlungen enthalten. Besonders in den Grundvorlesungen bietet es sich angesichts der höheren Teilnehmerzahlen an, die Übungsaufgaben auf elektronischen Plattformen bereitzustellen. Längst erlauben es einige Angebote, den Lösungsweg abzufragen und per individualisiertem Zugang die Leistung zu bewerten. (...)

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Bildung und Beruf

Georg Düchs und Klaus Mecke
08 / 2020 Seite 70
Pro-Physik-Mitglieder

Konstanz trotz Corona

Konstanz auf ordentlichem Niveau – so lässt sich die diesjährige Studierendenstatistik zusammenfassen. Nahezu alle Kennzahlen sind gegenüber dem Vorjahr geringfügig zurückgegangen, bei den Abschlüssen ausgeprägter als bei den Anfängerzahlen. Angesichts der aktuellen Debatte über Diskriminierung gehen wir kurz auf entsprechende Erkenntnisse aus der DPG-Promotionsstudie ein und vergleichen sie mit einigen neueren Zahlen.

Dieses Jahr muss der herzliche Dank an die Kolleginnen und Kollegen aus den 59 Physik-Fach­bereichen, welche die Daten für diese Statistik eingepflegt haben, am Anfang stehen! Schon in normalen Zeiten ist diese Aufgabe mit großem Aufwand verbunden. Dieses Mal sorgte die Covid-19-Pandemie für zusätzlich erschwerte Bedingungen: Die Fachbereiche waren durch die Umstellung der Lehre auf einen Onlinebetrieb mehr als ausgelastet, zudem war es vielerorts nicht ohne Weiteres möglich, von den Heimarbeitsplätzen auf statistische Daten der Universitätsverwaltungen zuzugreifen. Dennoch ist es erneut gelungen, für die Fachstudiengänge einen nahezu vollständigen Datensatz zu erheben. Für die Lehramts­studiengänge weisen die Daten allerdings wie in den Vorjahren Lücken auf.

Die Zahlen spiegeln die Corona-Situation noch nicht wider. Die Pandemie scheint nicht von der Aufnahme eines Physikstudiums im Sommer abgehalten zu haben, und auch die ersten Absolventenzahlen des Jahres zeigen keinen klaren Corona-Effekt. Trotz der Pandemiebeschränkungen ist es beeindruckend gelungen, die Qualität und Attraktivität des Physikstudiums konstant hoch zu halten. (...)

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Physik im Alltag

Sabrina Patsch
08 / 2020 Seite 76
DPG-Mitglieder

Die Induktion von Rock ‘n‘ Roll

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Menschen

08 / 2020 Seite 78
DPG-Mitglieder

Personalien

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08 / 2020 Seite 81
DPG-Mitglieder

Zum Gedenken an Hans Christoph Wolf

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Alexander Pawlak
08 / 2020 Seite 82
DPG-Mitglieder

„Erfahrung ist ein Schatz, der poliert werden muss.“

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Rezensionen

Michael Schaaf
08 / 2020 Seite 83
DPG-Mitglieder

Arne Schirrmacher: Establishing Quantum Physics in Göttingen

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Stefan Oldenburg
08 / 2020 Seite 83
DPG-Mitglieder

Govert Schilling: Sternenbilder – Wie sie den Weg zur modernen Astronomie ebneten

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Marco Huber
08 / 2020 Seite 84
DPG-Mitglieder

Robert Weber, Peter Seeberg: KI in der Industrie

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DPG

08 / 2020 Seite 31
DPG-Mitglieder

Bad Honnefer Industriegespräche

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08 / 2020 Seite 65
DPG-Mitglieder

DPG Schülertagung

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08 / 2020 Seite 85
DPG-Mitglieder

Jahresbericht der DPG

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Klaus Richter
08 / 2020 Seite 103

Aus Frühjahr wird Herbst?!

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Maike Pfalz
08 / 2020 Seite 105

Tagungszentren ohne Tagungsbetrieb

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Holger T. Grahn
08 / 2020 Seite 107
DPG-Mitglieder

Ausgezeichnete Studienleistungen

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Gerhard Gompper, Thorsten Auth, Jona Kayser, Joachim O. Rädler
08 / 2020 Seite 108

Wissenschaftskommunikation im Wandel

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08 / 2020 Seite 110
DPG-Mitglieder

Kurzprotokoll zur Vorstandsratssitzung

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08 / 2020 Seite 110
DPG-Mitglieder

Vorläufige Tagesordnung der Sitzung des Vorstandsrats der DPG e. V.

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Bernhard Nunner
08 / 2020 Seite 111
DPG-Mitglieder

Wahl einer Ombudsperson

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08 / 2020 Seite 112
DPG-Mitglieder

Satzung der DPG

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Tagungen

Carolin Scipio, Timo Wagenblast, ­Denise Wiesner
08 / 2020 Seite 123
DPG-Mitglieder

Biophysik

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Notizen

08 / 2020 Seite 124
DPG-Mitglieder

Notizen

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