Juni 2013

In der Experimentierhalle der Synchro­tron-Lichtquelle Schweiz (SLS) am Paul-Scherrer-Institut (PSI) macht Synchrotronstrahlung verborgene ­Details von Nanomagneten sichtbar. (vgl. S. 27, Bild: PSI)

Meinung

Bernhard Kempen
06 / 2013 Seite 3

Vorfahrt für Universitäten

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Aktuell

Alexander Pawlak
06 / 2013 Seite 6

Der Weg zur Roadmap zur Forschungs­infrastruktur

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Oliver Dreissigacker
06 / 2013 Seite 7

Ruhe in Frieden, Herschel!

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Götz Neuneck
06 / 2013 Seite 8

Nordkoreanischer Nukleartest bestätigt

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Katja Paff
06 / 2013 Seite 10

Forschungsbauten in Sicht

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U. Bremen/ SJ
06 / 2013 Seite 10

Physik ist kein „Bulimie-Studium“

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Stefan Jorda
06 / 2013 Seite 11

Die Top 10 der Physik?

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BMBF/AP
06 / 2013 Seite 12

Wertstoffe gesucht

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Rainer Scharf
06 / 2013 Seite 13

USA

Immigration gegen Nachwuchssorgen / Unerwünschte Forschung / Haushaltsentwurf für 2014

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High-Tech

Im Brennpunkt

Gerd Steinle-Neumann
06 / 2013 Seite 16

Heiß wie die Sonne

Ein neues Experiment zum Schmelzen von Eisen bei hohem Druck ergibt erstmals ein konsistentes Bild der Temperatur im Erdkern.

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Wolfgang Quint
06 / 2013 Seite 17

Präzision am Antiproton

Ein Fallenexperiment am CERN bestätigt mit bislang unerreichter Genauigkeit, dass die magnetischen Momente von Proton und Antiproton übereinstimmen.

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Ruth Titz-Weider, Ulrich Köhler und Heike Rauer
06 / 2013 Seite 22

Auf zu fernen, bewohnbaren Welten

Das Kepler-Team vermeldet die Entdeckung zweier etwa erdgroßer Planeten in der habitablen Zone.

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Forum

Stefan Jorda
06 / 2013 Seite 24

Die großen Fragen im Fokus

Allen Anlass zur Freude hatten die Physikerinnen und Physiker der Universität Mainz im Juni 2012: In der zweiten Runde der Exzellenzinitiative hatten sie sich mit ihrem Antrag für den Exzellenzcluster „Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter“ (PRISMA) durchgesetzt. Im Grunde geht es dabei um die ganz großen Fragen nach der Natur der Dunklen Materie oder der Physik jenseits des Standardmodells, die Heerscharen von Physikern weltweit mit dem Large Hadron Collider oder anderen Großexperimenten beantworten möchten. Welche Beiträge können dazu 250 Wissenschaftler im Rahmen eines auf fünf Jahren genehmigten und mit 30 Millionen Euro finanzierten Exzellenzclusters leisten? „Wir fokussieren uns auf einige wenige Fragen, die wir mit sehr komplementären Methoden beantworten möchten“, erläutert Hartmut Wittig, Professor für ­theo­retische Physik und einer der beiden Cluster-Koordinatoren.

vier Strukturmaßnahmen. Eine davon, ein neuer Beschleuniger, wird mit 10 Millionen Euro allein ein Drittel der gesamten Mittel kos­ten. Der „Mainz Energy-Recover­ing ­Superconducting Accelerator“ MESA soll am Institut für Kernphysik entstehen, das bereits seit vielen Jahren Beschleuniger betreibt. Beim Bau der supraleitenden Beschleunigerkavitäten profitiert das Institut von der aufwändigen Fertigungsinfrastruktur, die am Helmholtz-Institut Mainz, dem wichtigsten außer­universitären Partner von PRISMA, zur Verfügung stehen wird. MESA ist ein Elektronenbeschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie zwischen 150 und 200 MeV. „Das liegt Größenordnungen unterhalb der ­Energie des LHC“, sagt Wittig, „aber seine extrem hohe Strahl­intensität wird zwei neue Schlüsselexperimente ermöglichen“. Diese sind die Suche nach „dunklen Photonen“ sowie die hochpräzise Messung des „elektroschwachen Mischungs­winkels“ bei niedrigen Energien.

Dunkle Photonen sind hypothetische schwere Verwandte der „normalen“ Photonen, denen sie in vielen Eigenschaften ähneln und mit denen sie mischen. Sie tauchen in den verschiedensten Erweiterungen des Standardmodells als Vermittler einer neuen fundamentalen Kraft auf und koppeln an Dunkle Materie. Theoretiker haben in den vergangenen Jahren ein ganzes Spektrum von Modellen entworfen, die mithilfe dieser neuen Teilchen sowohl einige Anomalien in der Astrophysik als auch das unverstandene magnetische Moment des Myons erklären können. Dunkle Photonen könnten entstehen, wenn der intensive Elektronenstrahl von ­MESA auf ein Target prallt; zerfallen würden sie in ein Paar aus Elektron und Positron, das aus einem riesigen Hintergrundsignal heraus zu filtern ist. „Die Existenz eines dunklen Photons ist zugegebenermassen spekulativ, seine Entdeckung wäre jedoch eine wissenschaftliche Sensation“, meint Matthias Neubert, ebenfalls theoretischer Physiker und PRISMA-Koordinator. ...

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Überblick

Armin Kleibert und Frithjof Nolting
06 / 2013 Seite 27

Magnetische Nanowelt

Magnete mit Abmessungen im Nanometerbereich zeigen nicht nur spannende Physik, sondern bieten auch ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten. Eine besondere Rolle bei diesen magnetischen Zwergen nimmt das so genannte superparamagnetische Verhalten ein, sei es als gewünschter Effekt bei der Verwendung in der Medizin oder als limitierender Faktor bei der voranschreitenden Miniaturisierung in der Datenspeicherung. Neue Methoden erlauben es, das Verhalten von einzelnen Nanomagneten zu untersuchen und deren Eigenschaften gezielt zu ­beeinflussen.

Ohne magnetische Materialien würde unsere Welt anders aussehen, denn obwohl wir uns im Alltag nicht immer dessen bewusst sind, spielen Magnete und ihre Felder eine wichtige Rolle für das Leben. So schützt das Erdmagnetfeld uns und die Atmosphäre vor kosmischer Strahlung und ermöglicht die Orientierung. Magnete erleichtern auch unser Leben, beispielsweise als einfache Permanentmagnete am Kühlschrank oder als High-Tech-Magnete mit optimierten Eigenschaften in Transformatoren, Motoren und Generatoren. Daneben nimmt die Bedeutung von Nanomagneten in der Technologie zu. So werden in Festplatten die Informationen in magnetischen Dünnschichtsystemen gespeichert und mittels magnetischer Sensoren ausgelesen.

Der Bedarf an magnetischen Datenspeichern nimmt wegen des rapide wachsenden Internetverkehrs und Cloud-Computings weiterhin zu, obwohl alternative Flash-Speicher bereits weit verbreitet sind. Deshalb wird intensiv nach neuen magnetischen Materialien geforscht, die eine höhere Speicherdichte erlauben. Allerdings reichen bei hinreichend kleinen Strukturen schließlich thermische Fluktuationen aus, um die Magnetisierung spontan zu ändern, sodass eine dauerhafte Speicherung von Informationen nicht mehr möglich ist. Dieses superparamagnetische Verhalten gilt es daher zu überlisten. Anders sieht es in der Medizin aus. Hier wird an Methoden geforscht, Krebs­tumore mittels magnetischer Wechselfelder zu zerstören (Hyper­thermie). Dafür eignen sich magnetische Nano­partikel mit funktionalisierter Oberfläche, die sich nur an den Krebszellen anlagern. Ein elektromagnetisches Wechsel­feld regt die Magnetisierung der Nanoteilchen zu Schwingungen an, und die dabei erzeugte Wärme zerstört gezielt den Krebstumor. Hierbei sind nun superparamagnetische Teilchen erwünscht, da diese sich mit vergleichsweise kleinen Feldstärken und hoch­frequent ummagnetisieren lassen. Außerdem unterdrücken die Fluktuationen die Anziehung zwischen den Partikeln, die somit nicht verklumpen. ...

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Peter Michler
06 / 2013 Seite 35

Ideale Photonen auf Bestellung

Quantennetzwerke, in denen Lichtteilchen Informationen transportieren, oder optische Quantencomputer benötigen ganz spezielle Photonen: Diese sollten in sämtlichen ihrer physikalischen Eigenschaften identisch sein und sich einzeln oder als verschränktes Paar auf Bestellung erzeugen lassen. Besonders vielversprechende nichtklassische Lichtquellen sind hierbei optisch-resonant oder elektrisch gepumpte Halbleiter-Quantenpunkte. Eingebettet in Mikro- und Nanoresonatoren bzw. in integrierte photonische Schaltkreise könnten sie in Zukunft neuartige Quanteninformationstechnologien ermöglichen.

In den letzten Jahren gab es immense Fortschritte auf dem Weg zu Technologien, die wesentlich auf quantenmechanischen Gesetzen beruhen und insbesondere die Verschränkung ausnutzen. Zur Entwicklung dieser Technologien gibt es unterschiedlichste Ansätze, wobei solche aus der Photonik eine besondere Rolle spielen. Dazu zählen das optische Quantencomputing und die Quanteninformationsverarbeitung. Diese benötigen Lichtquellen, die deterministisch einzelne Photonen und/oder verschränkte Photonenpaare erzeugen. Idealerweise sollte eine solche Quelle eine sehr hohe Reinheit und Effizienz besitzen, d. h. sie sollte für jeden Anregungszyklus genau ein Photon bzw. ein Photonenpaar emittieren, das die Quelle auch verlassen muss. Die grundlegende Idee besteht darin, einen einzelnen Quantenemitter mit einem kurzen optischen oder elektrischen Puls anzuregen und das anschließend emittierte Photon für die gewünschte Anwendung zu nutzen. Als Emitter eignet sich beispielsweise ein Atom, ein Molekül, ein Halbleiter-Quantenpunkt (Quantum Dot, QD), eine Störstelle in einem Halbleiter oder ein Fehlstellenzentrum in Diamant.

Moderne Epitaxieverfahren ermöglichen es, Halbleiter-Quantenpunkte selbstorganisiert herzustellen. Hierzu wird ein Halbleiter mit kleinerer Bandlücke (InAs) in einen anderen mit größerer Bandlücke (GaAs) eingebettet. Dadurch entsteht ein effektives Potential, das einzelne Ladungsträger wie Elektronen oder Löcher einschließen kann. Die Ausdehnung des Quantenpunkts liegt typisch bei einigen zehn Nanometern und damit unterhalb der De-Broglie-Wellenlänge, sodass sich diskrete Energiezustände ausbilden.

Quantenpunkte zeichnen sich gegenüber anderen Emittern durch eine Reihe von Vorteilen aus: So lässt sich durch die Wahl der Halbleitermaterialien und deren genauer Zusammensetzung (z. B. für den ternären Halbleiter InxGa1–xAs, mit x zwischen 0 und 1) die Emissionswellenlänge nahezu beliebig im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich einstellen. Zudem erlaubt es die ausgereifte Halbleitertechnologie, die QDs in photonische Kristalle, komplexe Mikro-und Nanoresonatoren oder in dotierte pin-Strukturen1) für die elektrische Anregung einzubetten. Der Einbau in Resonatorstrukturen mit hoher Güte und kleinem Modenvolumen führt dazu, dass sich die Rate für spontane Emission des Emitters erhöht und die Photonen vorzugsweise in die Resonatormode ausgesendet werden. Das ermöglicht letztlich eine hohe Sammeleffizienz. Ferner lassen sich in einem QD über ein einzelnes Elektron-Loch-Paar (Exziton X) hinaus auf einfache Weise auch zwei Elektron-Loch-Paare gleichzeitig (ein Biexziton XX) anregen. Über eine Emissionskaskade können dann polarisationsverschränkte Photonenpaare entstehen. („Elektron-Loch-Paar“ und „Exziton“ verwenden wir hier ­synonym, da in einem Quantenpunkt Elektronen und Löcher aufgrund des Einschlusspotentials so nah beieinander sind, dass zwischen beiden immer die Coulomb-Wechselwirkung wirksam ist.) ...

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Physik im Alltag

06 / 2013 Seite 42

Im Dunkeln sichtbar

Damit sich Uhren, Instrumentenanzeigen oder Visierhilfen bei Nacht absolut zuverlässig ablesen lassen, ­kommen oft Lichtquellen mit Tritiumgas zum Einsatz.

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Menschen

06 / 2013 Seite 44

Personalien

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Alexander Pawlak
06 / 2013 Seite 47

„Entscheidend ist, dass es kein Humbug ist.“

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Martin Keilhacker und Robert Richter
06 / 2013 Seite 48

Nachruf auf Walter Blum

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Bücher/Software

Jacob Halatek
06 / 2013 Seite 49

William Bialek: Biophysics – Searching for Principles

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Gert-Ludwig Ingold
06 / 2013 Seite 49

Mark Beck: Quantum Mechanics

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DPG

Georg Hieronimus, Michael Hofmann und Philipp Seibt
06 / 2013 Seite 51

jDPG: Nach Berlin ruft der Norden

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06 / 2013 Seite 51

17. Deutsche Physikerinnentagung

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Tagungen

Sebastian T. B. Goennenwein, Christian Heiliger und Diemo Ködderitzsch
06 / 2013 Seite 52

Non-Magnetic Control of Spin

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Arnd R. Junghans
06 / 2013 Seite 52

Nuclear Physics Data for the Transmutation of Nuclear Waste

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06 / 2013 Seite 53

Tagungskalender

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Rubriken

06 / 2013 Seite 52

Notizen

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Neue Vakuumpumpe VACUU·PURE® 10

Öl- und abriebfreies Vakuum bis 10⁻³  mbar

VACUUBRAND präsentiert eine trockene und abriebfreie Schraubenpumpe für den Vakuumbereich bis 10⁻³ mbar. Die Pumpe besticht durch ihre wartungsfreie Technologie ohne Verschleißteile und weist ein Saugvermögen von 10 m³/h auf. VACUU·PURE 10 ist die ideale Lösung für Prozesse, bei denen partikel- und kohlenwasserstofffreies Vakuum im Bereich bis 10⁻³ mbar benötigt wird. Mit dieser Eigenschaft deckt die Schraubenpumpe viele Anwendungsgebiete ab – wie beispielsweise Analytik, Vorvakuum für Turbomolekularpumpen oder die Regeneration von Kryopumpen. Sie ermöglicht aber auch Prozesse wie die Vakuumtrocknung, Gefriertrocknung, Wärmebehandlung, Entgasung oder Beschichtung. Da keine Verschleißteile zu tauschen sind und lästige Ölwechsel entfallen, ist ein unterbrechungsfreier Betrieb mit sehr langen Standzeiten möglich.

VACCU PURE 10

Lernen Sie VACUU·PURE 10 kennen.

Erleben Sie unsere neue HiScroll – die ölfreien Vakuumpumpen von Pfeiffer Vacuum

Die HiScroll Serie besteht aus drei ölfreien und hermetisch dichten Scrollpumpen mit einem nominellen Saugvermögen von 6 – 20 m³/h. Die Pumpen zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Leistung beim Evakuieren gegen Atmosphäre aus. Ihre leistungsstarken IPM*-Synchronmotoren erzielen einen bis zu 15% höheren Wirkungsgrad in Vergleich zu konventionellen Antrieben.

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