Mai 2012

Schema und Brechzahlprofil (Falschfarbenskala) einer dreidimensionalen Teppich-Tarnkappe. (vgl. S. 31, Bild: Tolga Ergin)

Meinung

Johann Kühn
05 / 2012 Seite 3

Entscheidende Aussagekraft

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Aktuell

Stefan Jorda
05 / 2012 Seite 6

Schatten über dem Sonnental

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Alexander Pawlak
05 / 2012 Seite 7

Eine Geschichte zweier Standorte

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Alexander Pawlak
05 / 2012 Seite 8

Rücktritt statt Zurückhaltung

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MPG / MP
05 / 2012 Seite 10

Partnerschaft für Plasmaphysik

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Stefan Jorda
05 / 2012 Seite 10

Seit 125 Jahren genau

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Maike Pfalz
05 / 2012 Seite 11

Eine Quelle für Neutronen und Proteste

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Rainer Scharf
05 / 2012 Seite 12

USA


Neutrinoexperiment gebremst
Vielfältige Fusionsforschung
Votum für Teststopp

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Alexander Pawlak
05 / 2012 Seite 12

Albert digital

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Leserbriefe

Boris Heithecker
05 / 2012 Seite 14

Der Zugang zu geheimen Dokumenten

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Stefan Friedländer
05 / 2012 Seite 14

Erhebliches Unverständnis

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High-Tech

Im Brennpunkt

Detlef Lohse
05 / 2012 Seite 18

Tröpfchen mit Airbag

Eine neue optische Messmethode offenbart den Einfluss des Luftdrucks beim Aufschlagen von Tröpfchen.

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Rupert Huber
05 / 2012 Seite 20

Kollisionen im Terahertztakt

Intensive Laserfelder können Elektronen aus einem Atom herausreißen und sie darauf zurückschmettern. ­Mit intensiver Terahertz-Strahlung lässt sich diese Idee auf Exzitonen übertragen.

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Kai Fauth und Björn Münzing
05 / 2012 Seite 22

Unterdrückter Impuls

In Metallclustern lässt sich der Übergang vom Atom zum magnetischen Festkörper untersuchen.

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Überblick

Dieter Bimberg
05 / 2012 Seite 25

Vom hässlichen Entlein zum Schwan

Ohne Halbleiterlaser würde unser Alltag völlig anders ausschauen. Das weltverbindende Internet und vieles andere, was moderne Gesellschaften prägt, würde es nicht geben. Heutzutage basieren etwa 60 Prozent des Laserweltmarkts auf Diodenlasern, das entspricht einem Umsatz von etwa sieben Milliarden Dollar. Selten jedoch wurde eine Erfindung zunächst so mit Skepsis betrachtet und mit Häme kommentiert wie jene des Halbleiterlasers.

Die Geschichte des Halbleiterlasers ist geprägt von Irrtümern und Konfusion. Es ist die Geschichte eines Konzepts, für dessen Erfolg es immer neuer Anläufe bedurfte, und zwar über Jahrzehnte hinweg. Die Entwicklung des Halbleiterlasers ist ein Mus­ter­beispiel für interdisziplinäre Forschung mit langem Atem, für das Zusammenwirken von Materialwissenschaften mit unterschiedlichsten physikalischen Disziplinen, mit Computerentwicklung, Kommunikationstechnik und Maschinenbau. Es ist eine Geschichte, die uns lehrt, dass man nie aufgeben sollte.

1960 beobachtete Theodore Maiman stimulierte Emission zwischen elektronischen Übergängen von Chrom-Atomen in Al2O3 (Rubin) und bestätigte damit Einsteins Vorhersage aus dem Jahr 1917. Innerhalb von 18 Monaten wurden der aus dem Staunen nicht herauskommenden Weltöffentlichkeit weitere Laser präsentiert. Dazu zählten Festkörperlaser, z. B. auf YAG-Basis, sowie die ersten Gas- und Halbleiterlaser. Festkörper- und Gaslaser arbeiteten von Beginn an bei Zimmertemperatur. Ihr Anwendungspotenzial in der Forschung, von der Spektroskopie bis zur Kernfusion, war ebenso offensichtlich wie in der Material­bearbeitung –  vom Bohren kleinster Löcher in der Uhrenherstellung, über das Schweißen in der Auto­mobilfertigung, bis hin zum Härten der Zylinder von Dieselmotoren.

Halbleiterlaser hingegen funktionierten nur bei der Temperatur flüssigen Heliums, also bei 4,2 K. Ihre theoretischen Grundlagen legten von 1960 bis 1962 im Wesentlichen vier Arbeitsgruppen um Nicolay Basov vom Lebedev-Institut der Russischen Akademie der Wissenschaften, um Willard Boyle und David Thomas von den Bell Labs, um Georges Duraffourg vom CNET in Frankreich und um William Dumke von IBM. Die Idee war einfach: Man nehme einen pn-Übergang in einem Halbleiter (Homoübergang) und injiziere Ladungsträger, d. h. Elektronen von der n-Seite und Löcher von der p-Seite. Damit sind die beiden Grundvoraussetzungen für einen Laser erfüllt: ...

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Tolga Ergin und Martin Wegener
05 / 2012 Seite 31

Transformieren und Tarnen

Tarnkappen, die Objekte unsichtbar machen, sind ein medienträchtiges Beispiel für das sehr mächtige Konstruktionsprinzip der Transformationsoptik. Diese lehnt sich an Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie an und verknüpft gedachte Verzerrungen des Raums mit der Ausbreitung von Lichtwellen in räumlich inhomogenen optischen Medien. Der Grund­gedanke lässt sich aber auch auf akustische, elas­tische oder andere Wellen übertragen.

Das Fermatsche Prinzip der Optik besagt, dass das Licht stets den Weg nimmt, der dem extremalen (oft dem kürzesten) optischen Weg entspricht. Der optische Weg ist proportional zur Laufzeit des Lichts und gegeben durch das Integral der optischen Brechzahl über den Weg. Der Weg und die optische Brechzahl sind also entscheidend. Ein verkürzter Weg ist äquivalent zu einer kleineren Brechzahl n. Dies deutet schon darauf hin, dass sich die Geometrie des gekrümmten oder verzerrten Raums mit der Lichtpropagation verknüpfen lässt. Diese Verknüpfung ist in der Elektrodynamik und Optik immer exakt möglich und darüber hinaus näherungsweise auch in anderen Wellensystemen.

Die hierbei auftretenden Verzerrungen entsprechen mathematisch Koordinatentransformationen – daher der Name Transformationsoptik. Wichtig ist hierbei, dass die Maxwellschen Gleichungen auch bei der Transformation in krummlinige Koordinaten ihre mathematische Gestalt beibehalten. Nur die Tensoren der elektrischen Permittivität ε und der magnetischen Permeabilität µ ändern sich. Startet man beispielsweise die Transformation mit dem Vakuum, ergibt sich außerdem ε = µ. Dies gewährleistet, dass an keiner Stelle des Raums Reflexionen oder Polarisationsabhängigkeiten auftreten. Resonanzen in maßgeschneiderten künstlichen Materialien ermöglichen prinzipiell solche anisotropen magneto-dielek­trischen optischen Eigenschaften. Ist man bereit, gewisse Reflexionen und/oder Polarisationsabhängigkeiten zu tolerieren, lassen sich aber auch schon mit Dielektrika, für die µ=1  gilt, viele Möglichkeiten näherungsweise umsetzen. ...

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Gert Heinrich, Manfred Klüppel, Thomas Vilgis und Thomas Horst
05 / 2012 Seite 39

Wenn Gummi zu Bruch geht

Die Challenger-Katastrophe, das Debakel um geplatzte Reifen beim Ford Explorer oder der Skandal um schadhafte Brust­implantate sind besonders öffentlichkeitswirksame Vorfälle, bei denen Gummiwerkstoffe versagt haben. In den letzten Jahren ist es gelungen, die ursprünglich für Stahl entwickelten Methoden der Bruchmechanik auf diese Werkstoffe zu übertragen. Skalenübergreifende physikalische Modelle helfen dabei, handhabbare und verlässliche Aussagen zur Haltbarkeit und Lebensdauer zu gewinnen.

Wenn Gummiwerkstoffe versagen, kann das dramatische Folgen haben. Einer der spektakulärsten Fälle war sicher die Challenger-Katastrophe am 28. Januar 1986, bei der alle sieben Besatzungsmitglieder starben. Eine Untersuchungskommission wurde einberufen, um den Unfall zu klären. Einer der prominentesten Mitglieder, Richard Feynman, führte auf einer öffentlichen Sitzung der Kommission ein Experiment zur Elastizität der Dichtungsringe vor, das die Frage nach der Unfallursache beantwortete und tags darauf die Medien beherrschte: Ursache für die Katastrophe waren schadhafte Dichtungsringe aus Gummi an einer der beiden wieder verwendbaren Feststoffraketen. Bei den relativ niedrigen Nachttemperaturen verloren die Ringe an Elastizität, sodass ein Leck entstand, aus dem Gas austrat und sich entzündete.

Materialversagen war auch die Ursache des „Fire­stone-Ford-Debakels“ im Jahr 2000. Der Ford Explorer war mit Firestone-Reifen ausgestattet, die auffallend häufig Reifenplatzer hatten. Die Folge waren rund 700 Unfälle, davon 200 mit Todesfolge. Eine Rückrufaktion von 30 Millionen Reifen verursachte direkte Kosten von 3,5 Milliarden US-Dollar. Weniger spektakulär sind der alltägliche Reifenabrieb oder die bei besonders rauen Fahrbedingungen, etwa auf Schotterpisten, hervorgerufenen Verschleißphänomene. Ein aktuelles Beispiel von Materialversagen lieferten Brust­implantate, die aufgrund von Rissen im Silikongummi geplatzt sind.

Sowohl bei Reifengummi als auch bei dem sehr weichen Silikongummi handelt es sich um chemisch vernetzte und verschlaufte Polymernetzwerke, die relativ stark verformbar sind. Reifengummi besteht in der Regel aus einem Gemisch („Blends“) verschiedener Polymertypen wie natürlichem oder synthetischem Kautschuk. Zusätzlich sind sie noch mit Füllstoffen wie technischen Rußen oder gefällter Kieselsäure (bei Silika-Reifen) verstärkt. ...

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Physik im Alltag

Michael Vogel
05 / 2012 Seite 46

Voller Körpereinsatz

Dank ausgeklügelter Sensoren und Algorithmen lassen sich Computerspiele mit Bewegungen steuern – neuerdings sogar völlig ohne Gamecontroller.

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Menschen

05 / 2012 Seite 48

Personalien

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Maike Pfalz
05 / 2012 Seite 51

„Wir packen das gemeinsam an“

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Bücher/Software

Sven Beuchler
05 / 2012 Seite 52

Thoralf Räsch: Mathematik der Physik für Dummies

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Andreas Müller
05 / 2012 Seite 52

V. Frolov und A. Zelnikov: Introduction to Black Hole Physics

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Matthias Lich
05 / 2012 Seite 53

S. S. Gubser: Das kleine Buch der Stringtheorie

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DPG

Kerstin Kämpf, Matthias Zimmermann und Stephan Köhler
05 / 2012 Seite 55

jDPG: Physikalische Forschung für den Menschen

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05 / 2012 Seite 55

Neue Ehrenmitglieder

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Christian Sinn
05 / 2012 Seite 57

Industriegespräche jetzt auch in Mittelhessen

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Rubriken

05 / 2012 Seite 58

Tagungskalender

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05 / 2012 Seite 59

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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