Physik Journal 3 / 2021

Cover

In zweischichtigem Graphen, das unter dem magischen Winkel ­verdreht wurde, zeigt sich ein ­ganzer Zoo neuer Materie­zustände. (Bild: ICFO, vgl. S. 28)


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Meinung

Mehr Kohärenz für die QuanteninformationOtfried Gühne und Guido Burkard3/2021Seite 3

Mehr Kohärenz für die Quanteninformation

Ein neuer Fachverband der DPG bündelt Kompetenzen sektionsübergreifend.

Aktuell

Alexander Pawlak3/2021Seite 6DPG-Mitglieder

Resilienz für die Wissenschaft

Maike Pfalz3/2021Seite 7DPG-Mitglieder

Von der Grundlagenforschung zur Serienreife

Anja Hauck3/2021Seite 8DPG-Mitglieder

Qualitätspakt Lehre beendet

Kerstin Sonnabend3/2021Seite 10DPG-Mitglieder

Gezielt kollidiert

Anja Hauck3/2021Seite 11DPG-Mitglieder

Radioastronomie organisiert sich

DPG3/2021Seite 11DPG-Mitglieder

Starke Professuren für die Wissenschaftsgeschichte

Alexander Pawlak3/2021Seite 12DPG-Mitglieder

Atomwaffenverbot mit Einschränkung

Kerstin Sonnabend3/2021Seite 12DPG-Mitglieder

Endlich auf den Weg gebracht

Alexander Pawlak3/2021Seite 13DPG-Mitglieder

Invasion zum Mars

Maike Pfalz3/2021Seite 14DPG-Mitglieder

ILC: Zunehmende Unterstützung

Matthias Delbrück3/2021Seite 14DPG-Mitglieder

Machtkampf um die japanische Wissenschaft

Matthias Delbrück3/2021Seite 15DPG-Mitglieder

Mehr Meeresforschung

Matthias Delbrück3/2021Seite 15DPG-Mitglieder

USA

Science first, finally; Diversität und ­Inklusion

Leserbriefe

Theresa Pollinger3/2021Seite 18DPG-Mitglieder

Nachhaltiger ­Nahverkehr?

Friedmar Schütze3/2021Seite 18DPG-Mitglieder

Neutrale Wissenschaft

High-Tech

Michael Vogel3/2021Seite 20DPG-Mitglieder

Papier zum Zuhören; Filter für Fasern; Energieernter in 3D; Schlanke Optik

Brennpunkt

Elektrisierende TurbulenzEric Parteli3/2021Seite 22DPG-Mitglieder

Elektrisierende Turbulenz

Numerische Simulationen erklären, wie die starken elektrischen Felder entstehen, die Sandstürme begleiten.

Einzelnen Ionen auf der SpurJohannes Hecker Denschlag3/2021Seite 24DPG-Mitglieder

Einzelnen Ionen auf der Spur

Wenn sich ein Ion durch ein Bose-Einstein-Kondensat bewegt, beeinflussen Kollisionen den Ladungstransport in dem ultrakalten Gas.

Überblick

Effektvolle DrehungDmitri K. Efetov3/2021Seite 28

Effektvolle Drehung

Eine einfache Drehung zweier Graphenschichten unter dem „magischen“ Winkel sorgt für eine Vielzahl neuer Zustände und exotischer Eigenschaften.

Die Entdeckung neuartiger Materialien hat seit der Steinzeit technologische Revolutionen ausgelöst. Die heutzutage wichtigsten Materialien sind die Bausteine moderner Technologien wie Halbleiter, Magnete oder Supraleiter. Sie bilden die Grundlage für Computer­chips, Speicher und wissenschaftliche Geräte. Für die weitere Entwicklung wären Materialien wünschenswert, die viele unterschiedliche Eigenschaften gleichzeitig besitzen können. Diese sollten gesteuert ein- und ausschaltbar sein, um je nach Bedarf per Knopfdruck einen Magneten oder einen Supraleiter zu erhalten.

Traditionell sind Materialeigenschaften das Ergebnis der Zusammensetzung und Anordnung von Atomen in Kristallen. Abhängig davon, welche Atomspezies in einem Material gemischt sind, ordnen sich die Atome in unterschiedlichen periodischen Strukturen mit verschiedenen Symmetrien und elektronischen Eigenschaften an. Diese Attribute definieren somit die Eigenschaften des Materials und bestimmen, ob es beispielsweise ein Halbleiter, Magnet oder Supraleiter ist.

Um immer reichhaltigere Materialeffekte zu finden, hat sich die Wissenschaft in den letzten Jahrzehnten darauf konzentriert, immer kompliziertere Kristalle herzustellen. Damit ist es gelungen, eine zunehmende Anzahl verschiedener Atomspezies in einem Material zu mischen und eine Vielfalt exotischer Spezies zu entdecken, die in der Natur nicht vorkommen. Ein Beispiel ist der Kuprat-Supraleiter Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127. Um diese Materialien in der modernen Elektronik einzusetzen, müssen ihre Abmessungen nanometerklein sein. Die Miniaturisierung hat zudem einen weiteren positiven Effekt: Da die Materialien zunehmend empfindlich gegenüber angelegten elektrischen und magnetischen Feldern werden, können wir diese Felder nutzen, um die Materialeigenschaften kontrolliert zu verändern.  (...)

 

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Der Soundcheck der SterneSaskia Hekker3/2021Seite 34DPG-Mitglieder

Der Soundcheck der Sterne

Anhand der Eigenschwingungen von Sternen lässt sich ihre innere Struktur erkunden.

Die Asteroseismologie untersucht die innere Struktur von Sternen anhand ihrer Eigenschwingungen. Diese globalen Oszillationen treten in einem oder mehreren Resonanzräumen auf und enthalten Informationen über die dort vorliegenden physikalischen Bedingungen. Aus den beobachteten Signaturen der Schwin­gungen, bei­spielsweise Varia­tionen der Oberflächenhelligkeit oder der Geschwindigkeit, lassen sich die Bedingungen und damit die stellare Struktur ableiten.

Die Frage, warum und wie Sterne ihre innere Struktur verändern, beschäftigt die Astronomie seit über einem Jahrhundert. Arthur Eddington schrieb 1926 [1]: „Our telescopes may probe farther and farther into the depths of space; but how can we ever obtain certain knowledge of that which is hidden beneath substantial barriers? What appliance can pierce through the outer layers of a star and test the conditions within?“ Zunächst führte dies zu einem allgemeinen Verständnis von Sternen, das weitgehend auf gemessener Temperatur, chemischer Zusammensetzung und der Gravitation an der Oberfläche in Kombination mit mathematischen Modellen beruhte. Die Beobachtungen der sichtbaren äußeren Schichten von Sternen grenzten die Modelle zwar ein, gaben aber keinen Aufschluss über die innere Sternstruktur.

Beim Erforschen des Sterninneren hilft die Asteroseismologie, welche die intrinsischen globalen Schwingungen der Sterne untersucht. Sterne lassen sich in gewisser Weise als Musikinstrumente auffassen. Je nach Form und Größe des Resonanzraumes ändert sich der Klang eines Musikinstruments, etwa einer Posaune. Sterne besitzen ebenfalls natürliche Resonanzen, d. h. stehende Wellen, die in einem Resonanzraum schwingen. Betrachten wir Sterne als Instrumente, so lösen intrinsische Mechanismen die Eigenresonanzen aus: Eine Schicht – in der aufgrund von Druck und Temperatur Eisen oder Helium teilweise ioni­siert vorliegen – kann Energie, die vom Kern des Sterns zu seiner Oberfläche fließt, einschließen, bevor diese die Oberfläche erreicht. Dies führt dazu, dass sich der Stern ausdehnt. Dabei wird die teilweise ionisierte Schicht für den Energiefluss wieder durchlässiger, und der Stern zieht sich zusammen [1, 2]. Wirkt dieser sogenannte κ-Mechanismus in einer angemessenen Tiefe des Sterns, so kann er dessen globale Schwingungen wie in einem Resonanzraum antreiben.

Sterne senden allerdings keinen Schall aus – dafür wäre ein Medium zur Wellenausbreitung nötig. Da die Wellen das Sternmaterial komprimieren und ausdehnen, können wir jedoch ihre Auswirkungen sehen, deren Eigenschaften von der inneren Struktur des Sterns abhängen: Im Lauf der Zeit ändern sich Helligkeit oder Geschwindigkeit an der Oberfläche. Diese Variationen können aus photometrischen Daten oder anhand der Doppler-Verschiebung aus spektroskopischen Zeitreihendaten gewonnen werden. Voraussetzung dafür ist eine ausreichende Empfindlichkeit für die Schwingungsamplitude, die von mehreren Größenordnungen von Magnituden bzw. km/s bis zu Mikromagnituden bzw. cm/s reicht. Die Variationen lassen sich aufgrund der Oszillationen messen, wenn einerseits die Beobachtungsfrequenz für die Oszillationsperiode des Sterns geeignet ist. Diese reicht für verschiedene Sterne von Sekunden über Minuten bis hin zu Stunden und Tagen. Andererseits muss die Dauer der Zeitreihe mindestens eine Periode der Oszillationen abdecken und einzelne Frequenzen auflösen, falls mehrere vorhanden sind. Die gemessenen Variationen dienen gewissermaßen als Soundcheck des Sterns, mit dem sich auf die Form und Größe des Resonanzraums schließen lässt. Die zeitlichen Variationen liefern zusätzliche Informationen zu den typischen spektroskopischen und photometrischen Messungen von effektiver Temperatur, Gravitation und chemischer Zusammensetzung an der Sternoberfläche. (...)

 

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Geschichte

„Electrischer Conflict“ mit PotentialFriedrich Steinle3/2021Seite 40DPG-Mitglieder

„Electrischer Conflict“ mit Potential

Ørsteds Entdeckung des Elektromagnetismus stieß ganz unterschiedliche Entwicklungen an.

Am 21. Juli 1820 gab der dänische Physiker Hans Chris­tian Ørsted eine Entdeckung bekannt, die unmittelbar eine Welle weiterer Forschungen nach sich zog. In ihrer Folge veränderte sich nicht nur die technische Welt, sondern auch das physikalische Denken fundamental.

In seiner vierseitigen Druckschrift von 1820 beschrieb Hans Christian Ørsted die Wirkung von Elektrizität auf eine Magnetnadel (Abb. 1). Seit Voltas Einführung der nach ihm benannten „Säule“, der ersten kontinuierlichen Stromquelle, hatte man zwanzig Jahre lang vergeblich nach einer solchen Wirkung gesucht. Manche hatten aufgegeben und sie gar für unmöglich erklärt. Wohl wissend, dass er eine Sensation verkündete, hatte Ørsted einen ungewöhnlichen Veröffentlichungsweg gewählt: Statt des üblichen, aber langwierigen Wegs über wissenschaftliche Zeitschriften hatte er in höchster Eile auf Latein einen dichten Text verfasst, auf eigene Kosten gedruckt und an Autoritäten und Multiplikatoren der Physik in ganz Euro­pa versandt. Das war kostspielig, aber effektiv: Binnen kürzester Zeit hatten andere den Text in viele europäische Sprachen übersetzt und in allen wichtigen Fachzeitschriften abgedruckt. Damit war die Entdeckung in Europa breit bekannt und fest mit Ørsteds Namen verbunden.

Dieser hatte sich in der väterlichen Apotheke schon früh für Naturwissenschaft interessiert. Während seines Pharmaziestudiums in Kopenhagen beschäftigte er sich mit der idealistischen Naturphilosophie, die – bisweilen spekulativ – von einer Beziehung zwischen natür­lichen und geistigen Dimensionen ausging. Prägend für sein wissenschaftliches Arbeiten war ein Aufenthalt von 1801 bis 1804 in deutschen Ländern und in Frank­reich. Er vertiefte seine Beziehung zur später „romantisch“ genannten Physik mit ihrer Überzeugung vom Zusammenhang aller Natur­kräfte und schloss Freundschaft mit ihrem natur­wissenschaftlich produktivsten Vertreter, Johann W. Ritter, der unter anderem die UV-Strahlung entdeckt und die Elektrochemie mitbegründet hatte. Ørsted schätzte diesen weiten Denkrahmen, bestand aber zugleich immer auf nüchterner Empirie. Der mathe­matisch orientierten Physik, die er in Paris kennenlernte, konnte er nicht viel abgewinnen. Ab 1806 war er Professor in Kopenhagen, ab 1815 überdies Sekretär der Königlich Dänischen Gesellschaft der Wissenschaften. Als eine der einflussreichsten Persönlichkeiten in der dänischen Naturforschung initiierte er die Einrichtung einer Polytechnischen Lehranstalt in Kopenhagen. Seine Forschungen richteten sich auf Chemie (so entdeckte er das Aluminium), Elektrizität, Galvanismus, Magnetismus und Elektromagnetismus, aber auch auf akustische Figuren, Kompressibilität von Wasser, Kapillarität, Wärme- und Lichttheorie [1]. Die idealistischen Überzeugungen blieben ihm erhalten: 1850 veröffentlichte er das umfängliche Werk „Aanden i Naturen“ („Der Geist in der Natur“). (...)

 

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Emil Kolben (1862 – 1943)Stefan L. Wolff3/2021Seite 46

Emil Kolben (1862 – 1943)

Der Techniker, Wissenschaftler und Industrielle aus Böhmen wurde in das Ghetto Theresienstadt deportiert.

Emil Kolben gehörte mit seiner Firmengründung von 1896 zu jenen Pionieren, die auf der Grundlage ihrer technisch-wissenschaftlichen Aus­bildung am Ende des 19. Jahrhunderts Fabrikationsstätten im Bereich der Elektrotechnik wie des Maschinenbaus etablierten und so die Industrialisierung Europas maßgeblich beförderten.

Die jüdischen Vorfahren von Emil Kolben lassen sich seit dem Ende des 18. Jahrhunderts im Prager Vorort Stranice nachweisen. Emil war das älteste von neun Kindern seines Vaters Joachim (1828 – 1912), der dort ein kleines Unternehmen führte. Nach der Matura studierte Emil an der Deutschen Technischen Hochschule in Prag von 1881 bis 1886 Elektrotechnik, die damals noch im Fach Maschinenbau integriert war. Nach einer kurzen praktischen Tätig­keit konnte er mit einem Reisestipendium 1888 in die USA gehen, wo er sich nach ausgedehnten Fahrten durch das Land spontan bei den „Edison Machine Works“ bewarb und umgehend angestellt wurde. Schon ein Jahr darauf stieg er zum Chef­ingenieur der technischen Abteilungen der „Edison General Electric“ in Schenectady auf. Dort entwickelte er vor allem Dynamos und Motoren. Die Begegnung mit ­Nikola Tesla überzeugte ihn von der Bedeutung des Wechsel­stroms, der damals noch weitgehend abgelehnt wurde, unter anderem auch von Edison. (...)

 

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Physik im Alltag

Für jede Situation das richtige AugeDenise Müller-Dum und Jens Kube3/2021Seite 48DPG-Mitglieder

Für jede Situation das richtige Auge

Bei Systemkameras lässt sich das Objektiv je nach Aufnahmesituation auswählen.

Menschen

3/2021Seite 51DPG-Mitglieder

Personalien

Thomas Thurn-Albrecht, Klaus Schröter, Gert Strobl, Christoph Schick, Andreas Schönhals und Mario Beiner3/2021Seite 54DPG-Mitglieder

Nachruf auf Ernst-Joachim Donth

Kerstin Sonnabend3/2021Seite 55DPG-Mitglieder

„Unsere Simulationen können zeigen, wie ergriffene Maßnahmen wirken.“

Interview mit Kai Nagel

Rezensionen

Christoph Buchal3/2021Seite 56DPG-Mitglieder

André D. Thess: Sieben ­Energiewendemärchen?

Alexander Pawlak3/2021Seite 57DPG-Mitglieder

Daniel Mellem: Die Erfindung des Countdowns

DPG

3/2021Seite 26DPG-Mitglieder

Ausschreibung von Preisen

3/2021Seite 39DPG-Mitglieder

DPG-Mentoring-Programm und Leading for Tomorrow

3/2021Seite 50DPG-Mitglieder

Virtuelle Jobbörse

Julio Magdalena de la Fuente, Alexander Osterkorn, Paul Große-Bley und Robert Meye3/2021Seite 58DPG-Mitglieder

Von und mit der Pandemie

Holger Grahn3/2021Seite 58DPG-Mitglieder

Ausgezeichneter Unterricht und hervorragende Lernende

3/2021Seite 60DPG-Mitglieder

Physikalische Gesellschaft zu Berlin e. V. (PGzB): Außerordentliche Mitgliederversammlung

3/2021Seite 60DPG-Mitglieder

Satzungs­änderungen

3/2021Seite 60DPG-Mitglieder

Mitgliederversammlung

Notizen

3/2021Seite 61DPG-Mitglieder

Notizen

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