Juni 2020

Forschung im Exzellenzcluster PhoenixD: Polymer-Lichtwellen­leiter aus dem Tintenstrahldrucker.(Bild: Tim Wolfer / LUH, vgl. S. 26)

 

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Zur Ausgabe

Meinung

Gero Vogl
06 / 2020 Seite 3

Eine eigene Sprache der Physik

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Aktuell

Maike Pfalz
06 / 2020 Seite 6
DPG-Mitglieder

Strategische Eindämmung

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Maike Pfalz / Wissenschaft im Dialog
06 / 2020 Seite 7
DPG-Mitglieder

Pandemie stärkt Vertrauen in Wissenschaft und Forschung

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Kerstin Sonnabend
06 / 2020 Seite 8
DPG-Mitglieder

Hervorragend aufgestellt und stark nachgefragt

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Maike Pfalz / acatech
06 / 2020 Seite 8
DPG-Mitglieder

Nachholbedarf im MINT-Bereich

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Maike Pfalz
06 / 2020 Seite 9
DPG-Mitglieder

FAIR schreitet voran

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Kerstin Sonnabend
06 / 2020 Seite 10
DPG-Mitglieder

Versorgung gesichert

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Alexander Pawlak
06 / 2020 Seite 10
DPG-Mitglieder

Bis zum Mond … und noch viel weiter

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Alexander Pawlak / DLR
06 / 2020 Seite 11
DPG-Mitglieder

Ein Tag für die ganze Erde

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Kerstin Sonnabend
06 / 2020 Seite 12
DPG-Mitglieder

Ganzheitlich und interdisziplinär zu neuen Batterien

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Matthias Delbrück
06 / 2020 Seite 12
DPG-Mitglieder

Ambivalenter Geldsegen

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Kerstin Sonnabend
06 / 2020 Seite 13
DPG-Mitglieder

Der Fahrplan steht fest

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Maike Pfalz / Wissenschaftsrat
06 / 2020 Seite 14
DPG-Mitglieder

Förderwürdige Vorhaben

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Matthias Delbrück
06 / 2020 Seite 14
DPG-Mitglieder

USA

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Leserbriefe

Knut Neumann / Stefan Rumann
06 / 2020 Seite 16
DPG-Mitglieder

Notwendiges Referendariat?

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Harry Paul
06 / 2020 Seite 16
DPG-Mitglieder

Computer statt Gehirn

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High-Tech

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Brennpunkt

Frank Stienkemeier
06 / 2020 Seite 20
DPG-Mitglieder

Langlebig trotz flüssiger Umgebung

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Wolfgang Quint
06 / 2020 Seite 22
DPG-Mitglieder

Pingpong mit hochgeladenen Ionen

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Thore Posske und Björn Trauzettel
06 / 2020 Seite 24
DPG-Mitglieder

Die Vermessung der Wolke

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Forum

Maike Pfalz
06 / 2020 Seite 26
DPG-Mitglieder

Optik der Zukunft

Ohne Licht wären mobile Kommunikation, Satellitennavigation oder Live-Streaming im Internet undenkbar. Hochauflösende Kamerasysteme bilden die Voraussetzung für autonomes Fahren, und Lasertechnik ersetzt bei vielen medizinischen Eingriffen heutzutage das Skalpell. Um Licht künftig für noch mehr Funktionalitäten nutzen zu können, muss man es präzise kontrollieren und manipulieren können, und zwar auf möglichst kleinen Skalen. Bislang werden optische Systeme meist aufwändig auf Glasbasis in kleinteiligen Arbeitsschritten hergestellt. Der Exzellenzcluster PhoenixD (Photonics, Optics, and Engineering – Innovation Across Disciplines) mit Standorten in Hannover und Braunschweig, der seit Anfang 2019 gefördert wird, verfolgt das Ziel, optische Präzisionssysteme schnell und kostengünstig zu realisieren.

Die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler möchten ein digitalisiertes Fertigungssystem entwickeln – ein sogenanntes Manufacturing Grid –, um individu­alisierte Produkte herzustellen und eine breite Palette von Anwendungen zu ermöglichen: So ließe sich in der Landwirtschaft der Einsatz chemischer Unkrautvernichter minimieren, da die neuen Systeme mit ihren Sensoren Unkraut erkennen und gezielt mit Lasern behandeln können. Bislang sind die Systeme dafür noch zu teuer. In der Medizin könnte bei der patientennahen Blutanalyse eine individualisierte Optik zur Diagnostik von Krankheiten dienen.

Der Cluster gliedert sich in vier Forschungsbereiche (...)

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Geschichte

Gernot Münster
06 / 2020 Seite 30
Pro-Physik-Mitglieder

(K)eine klassische Karriere?

Nach der Formulierung der Quanten­mechanik durch Heisenberg, Born und Jordan 1925/26 wandten Wolfgang Pauli und Lucy Mensing die neue Theorie erstmals auf reale physi­ka­lische Systeme an. Mensing fand dabei als erste die zulässigen Werte für den quantenmechanischen Bahndrehimpuls. Ende der Zwanzigerjahre beendete sie ihre wissenschaftliche Karriere.

In der klassischen Mechanik ist der Drehimpuls eines Teilchens oder Teilchen­systems eine reelle vektorwertige Größe, die beliebige Werte annehmen kann. In der Quantenmechanik hingegen ist der Drehimpuls quantisiert. Sein Betrag ist charakterisiert durch eine Quantenzahl l, die nur gewisse diskrete Werte annehmen kann. Ausgehend von den algebraischen Beziehungen der Drehimpulskomponenten untereinander lässt sich zeigen, dass die Quantenzahl l nur ganzzahlige (0, 1, 2, 3, . . .) oder halbzahlige Werte (1/2, 3/2, 5/2, . . .) annehmen kann. Wir sind heute mit der Bedeutung der halbzahligen Werte vertraut, aber wie stand es damit in der Zeit der Entwicklung der Quantenmechanik?

Nach ersten Schritten von Max Born in Richtung ­einer quantentheoretischen Formulierung der Mechanik [1] gelang Werner Heisenberg während eines Aufenthalts auf der Insel Helgoland der Durchbruch. In seiner 1925 veröffentlichten berühmten Arbeit führte er die quanten­mechanischen Größen ein, die an die Stelle der klassischen Variablen Ort, Impuls etc. treten und postulierte die Rechen­gesetze für diese Größen [2]. Born und sein Assis­tent Pascual Jordan in Göttingen erkannten darin die Regeln der Matrizenrechnung und bauten den Formalismus weiter aus [3]. In der „Drei-Männer-Arbeit“ von 1926 erweiterten Born, Heisenberg und Jordan die Theorie auf Systeme mit vielen Freiheitsgraden [4]. Hier findet sich insbesondere in einem von Jordan geschriebenen Kapitel die Quantisierung des elektromagnetischen Feldes, also der Beginn der Quantenfeldtheorie. Die Arbeit befasst sich auch ausführlich mit dem quantenmechanischen Drehimpuls, der bei der Deutung der Atomspektren eine wichtige Rolle spielt. Die Autoren fanden die alge­braischen Beziehungen zwischen den drei Komponenten Li des Drehimpulses, deren Multiplika­tion von der Reihenfolge der Faktoren abhängt. Ausgehend von dieser „Drehimpuls-Algebra“

[L1, L2] = iħ L3, und zyklisch vertauscht, zeigten sie, dass das Quadrat L→2 des Drehimpulses Werte von der Form ħ2 l(l + 1) annehmen kann. Hierin ist ħ = h/2π das „reduzierte“ Plancksche Wirkungsquantum h, und die Quantenzahl l kann, wie oben gesagt, ganzzahlige und halbzahlige Werte annehmen. (...)

 

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Überblick

Frank Gronwald, Jan Hansen, Christian Karch, Christian Schuster und Matthias Tröscher
06 / 2020 Seite 35
DPG-Mitglieder

Auf die Verträglichkeit kommt es an

Die elektromagnetische Verträglichkeit ist ein Gebiet der Elektro- und Informationstechnik, das darauf abzielt, den störungsfreien, parallelen Betrieb der elektronischen und elektrischen Komponenten und Systeme unseres täglichen Lebens zu gewährleisten. Diese Systeme müssen in ihrer elektromagnetischen Umgebung funktionieren und dürfen keine anderen Systeme stören. Zudem geht es darum, neue Hardware durch Prüf­labore zu zertifizieren, den Einfluss elektromagnetischer Felder auf den menschlichen Körper zu messen, Räume vor Spionage-Attacken abzuschirmen, elektrische Netze zu entstören oder Fluggeräte und deren Systeme vor Blitzeinschlägen zu sichern.

Nachdem Heinrich Hertz 1888 die Existenz elektromagnetischer Wellen bestätigen konnte, setzte eine rasante Entwicklung ihrer technischen Nutzung für Funkverkehr und Radar ein – maßgeblich unter anderem durch Guglielmo Marconi, Werner von Siemens und Chris­tian Hülsmeyer. Schon in den Anfangszeiten erforderte funktionierende und verlässliche Kommunikation mittels elektromagnetischer Wellen den Umgang mit Störungen, seien diese natürlichen Ursprungs oder durch den Menschen verursacht. Damit begann der Einsatz von nachrichten- und hochfrequenztechnischen Konzepten, um beispielsweise robuste Modulationsverfahren und geeignete Filtertechniken zu entwickeln. Seit den 1950er-Jahren gilt das Gebiet der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) als eigenständige Fachdisziplin.

Aufgrund der Komplexität der heutigen technischen Systeme und ihrer physikalischen Wechselwirkungen gilt es in der EMV meist, Disziplinen wie die Mechanik, Wärme­lehre oder Plasmaphysik mit zu berücksichtigen. Als Forschungsdisziplin liefert die EMV Beiträge zur Messtechnik, zu Materialwissenschaften und zur Modellierung und Simulation multiphysikalischer Systeme. Auch viele Physikerinnen und Physiker leisten zu diesem höchst inter­disziplinären Fachgebiet wichtige Beiträge. (...)

 

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Peter G. Thirolf, Lars von der Wense und Benedict Seiferle
06 / 2020 Seite 42
DPG-Mitglieder

Ein Isomer als Uhrwerk

Schon die Sumerer nutzten vor 6000 Jahren das Licht, um die Zeit mit Sonnenuhren zu messen. Heute kommt Laserlicht in optischen Atomuhren zum Einsatz: Die Frequenzmessungen sind inzwischen so präzise, dass die Uhrzeit erst nach 33 Milliarden Jahren um eine Sekunde abweicht. Eine Kernuhr basierend auf dem Thorium-Isomer 229mTh könnte diese Genauigkeit noch steigern.

Eine Uhr setzt sich aus einem Taktgeber und einem Zählwerk zusammen, das die Frequenz dieser Oszillation bestimmt. Die Definition der Einheit Sekunde im SI-System verwendet hierfür einen Mikrowellen-Übergang im Element Cäsium. Natürliches Cäsium besteht nur aus dem Isotop 133Cs. Die niedrige Verdampfungstemperatur erleichtert es, einen Atomstrahl herzustellen. Optische Atomuhren im Labor erzielen heute relative Ungenauigkeiten von etwa 10–18 und sind wesentlich begrenzt durch äußere elektrische und magnetische Störfelder. Diese Ungenauigkeit lässt sich – wie 2003 vorgeschlagen – weiter reduzieren, wenn die Uhr anstelle eines Übergangs in der Atomhülle einen Kernübergang verwendet [2]. Denn im erheblich kleineren Atomkern sind die Kernmomente geringer: Äußere elektromagnetische Störfelder koppeln entsprechend weniger an. Zum Konzept einer Kernuhr [2, 3] gehört ein schmalbandiger Laser, der den Kernübergang resonant anregt und dessen Wellenlänge sich mittels Frequenzkamm bestimmen lässt oder die selbst eine vakuum­ultraviolette Frequenzkamm-Mode ist (Abb. 1). Gemäß dem Funktionsprinzip optischer Atomuhren entspricht eine Sekunde einer bestimmten Anzahl von Schwingungen, die sich aus der Übergangsfrequenz des Kernübergangs ergibt. Für eine solche Uhr kommen nur Kernzustände infrage, deren Anregungsenergie so klein ist, dass ein Laser sie bereitstellen kann. Außerdem muss ihre Lebensdauer ausreichend lang sein, um für eine Uhr von hoher Stabilität geeignet zu sein. Ein solcher Zustand ist nur für das Aktiniden-Isotop 229Th bekannt. (...)

 

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Physik im Alltag

Ulrich Kilian
06 / 2020 Seite 48
DPG-Mitglieder

Aufgeladen unterwegs

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Menschen

06 / 2020 Seite 50
DPG-Mitglieder

Personalien

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Dieter Lüst und Götz Neuneck
06 / 2020 Seite 53
DPG-Mitglieder

Nachruf auf Klaus Gottstein

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Lorenz S. Cederbaum, Bernhard Dick, Hans-Joachim Freund, Klaus Meerholz, Klaus Müllen, Siegfried Schneider, Petra Swiderek
06 / 2020 Seite 54
DPG-Mitglieder

Nachruf auf Georg Hohlneicher

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Kerstin Sonnabend
06 / 2020 Seite 55
DPG-Mitglieder

„Die Stimme des Nachwuchses braucht mehr Gewicht.“

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Rezensionen

Kerstin Sonnabend
06 / 2020 Seite 56
DPG-Mitglieder

Michel Claessens: ITER: The Giant Fu­sion Reactor – Bringing a Sun to Earth

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Michael Vollmer
06 / 2020 Seite 57
DPG-Mitglieder

Leon Gunther: The Physics of Music and Color

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DPG

06 / 2020 Seite 17
DPG-Mitglieder

Virtuelle Jobbörse

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06 / 2020 Seite 41
DPG-Mitglieder

Physikschule: Applied ­Photonics

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Ruzin Ağanoğlu und Agnes Sandner
06 / 2020 Seite 58
DPG-Mitglieder

Für den Nachwuchs in Physik

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Christiane Velling
06 / 2020 Seite 59
DPG-Mitglieder

Exkursion ins Emsland

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Magdalena Misslisch
06 / 2020 Seite 60
DPG-Mitglieder

Workshops trotz Kontaktsperre

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06 / 2020 Seite 61
DPG-Mitglieder

Kurzprotokoll zur Vorstandsratssitzung

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