Oktober 2019

Zweidimensionale Materialien besitzen einzigartige Eigen­schaften und ermöglichen eine neu­artige Elektronik. (Bild: S. Staacks, vgl. S. 29)

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Zur Ausgabe

Meinung

Martin Stratmann
10 / 2019 Seite 3

Freiheit, Vertrauen und Verantwortung

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Aktuell

Alexander Pawlak
10 / 2019 Seite 6
DPG-Mitglieder

Ein Born der modernen Physik

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Kerstin Sonnabend
10 / 2019 Seite 7
DPG-Mitglieder

Ein Staatsvertrag für SKA

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Maike Pfalz / MPG
10 / 2019 Seite 8
DPG-Mitglieder

DEAL mit Springer Nature

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Maike Pfalz / MPG
10 / 2019 Seite 9
DPG-Mitglieder

Freiheit ist unser System

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Anja Hauck / DLR
10 / 2019 Seite 10
DPG-Mitglieder

Der Assistent kehrt heim

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Alexander Pawlak
10 / 2019 Seite 11
DPG-Mitglieder

Freie Bahn für Apollos Schwester?

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Matthias Delbrück
10 / 2019 Seite 12
DPG-Mitglieder

Brexit: Trostpreis Visaerleichterungen?

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Matthias Delbrück
10 / 2019 Seite 12
DPG-Mitglieder

Mexiko: Kürzung von links

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Matthias Delbrück
10 / 2019 Seite 13
DPG-Mitglieder

Brasilien: Frontalangriff auf Forschung und Freiheit

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Matthias Delbrück
10 / 2019 Seite 13
DPG-Mitglieder

USA

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Leserbriefe

Florian Pausewang
10 / 2019 Seite 15
DPG-Mitglieder

Modern experimentieren

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High-Tech

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Brennpunkt

Matthias Zähringer
10 / 2019 Seite 18
DPG-Mitglieder

Ein Fall für die nukleare Forensik 

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Robert Hussein
10 / 2019 Seite 20
DPG-Mitglieder

Elektronen telegraphieren ihren Lebenslauf 

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Sonja Franke-Arnold
10 / 2019 Seite 21
DPG-Mitglieder

Ein Wirbelwind aus Licht 

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Geschichte

Horst Schmidt-Böcking und Wolfgang Trageser
10 / 2019 Seite 25
Pro-Physik-Mitglieder

Der Strahl der Erkenntnis 

Extrem genau präparierte Strahlen aus Atomen bzw. Molekülen gehören heute zum unverzichtbaren Werkzeug in Atom-, Molekül-, Cluster- und Ober­flächenphysik. Otto Stern entwickelte dafür ab 1919 seine Molekularstrahlmethode, die sich sehr rasch als wegweisend für die Quanten­mechanik erweisen sollte, nicht zuletzt als Grundlage für das Stern-Gerlach-Experiment.

Im Jahr 1911 machte der französische Physiker Louis Dunoyer eine wichtige Beobachtung: Die Moleküle eines Gases, die von einem höheren Druckbereich durch eine kleine Öffnung in ein Vakuum (Druck < 10–3 Torr) strömen, bewegen sich geradlinig. Das überraschte eigentlich nicht, denn aufgrund der Gesetze der klassischen Physik muss sich jedes Molekül wegen der Impulserhaltung so lange geradlinig bewegen, bis es durch ein Kraftfeld oder durch Stoß mit einer anderen Masse seinen Impuls und damit Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit ändert. Entscheidend war jedoch, dass Dunoyer auf diese Weise erstmals einen Atomstrahl erzeugen konnte [1].


Aufbauend auf dieser Beobachtung begann Otto Stern 1919 in Frankfurt mit der Entwicklung der Molekularstrahlmethode (MSM), die auf einer präzisen transversalen Kollimation eines gasförmigen Atom- oder Molekülstrahls beruht. Damit sollte es möglich sein, den Ablenkwinkel und damit den Transversalimpuls eines im Vakuum fliegenden Teilchens mit extrem hoher Genauigkeit zu präparieren und somit mit hoher Genauigkeit messen zu können. Man kann nur spekulieren, ob ihm damals bewusst war, welche Impulsauflösung die Molekularstrahlmethode einmal liefern würde...

 

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Überblick

Christoph Stampfer, Bernd Beschoten und Sebastian Staacks
10 / 2019 Seite 29
DPG-Mitglieder

Vielfalt in zwei Dimensionen

Neue Materialien zu entdecken und geschickt zu nutzen, ist ein Garant für den technologischen Fortschritt. Ein prominentes Beispiel ist die Rolle von Silizium in der modernen Mikroelektronik. Zweidimensionale Materia­lien, insbesondere kombiniert zu Van-der-Waals-Hetero­strukturen, besitzen einzigartige Eigenschaften und ermöglichen eine neuartige Elektronik und integrierte Opto­elektronik.

Zweidimensionale Materialien zeichnen sich durch außergewöhnliche Eigenschaften aus. Beispielsweise besitzen die Ladungsträger interne Freiheitsgrade wie den Spin, den Pseudospin oder den Valley-Freiheitsgrad [1]. Diese ermöglichen es, quantenmechanische Effekte technologisch zu nutzen, sodass sich die Materialien für die Spintronik und die neuartige Valleytronik anbieten. Beide Technologien ähneln der konventionellen Elektronik. Während dort Elektronen als Träger der elektrischen Ladung dazu dienen, Daten zu speichern, zu bewegen und zu verändern, nutzt die Spintronik dafür die Spinfreiheitsgrade der Elektronen – und die Valleytronik entsprechend den Valley-Freiheitsgrad.


Zweidimensionale Materialien werden aus Van-der-Waals-Materialien hergestellt. Diese besitzen eine ausgedehnte kristalline planare Struktur, die durch starke kovalente Bindungen innerhalb der Ebene und schwache Van-der-Waals-Kräfte senkrecht zu den Ebenen zusammengehalten wird. Das führt zu Schichtsystemen, wobei sich einzelne Lagen durch das Aufbrechen der Van-der-Waals-Bindungen leicht voneinander ablösen lassen, ohne den verbleibenden Kris­tall oder die entfernte Lage zu beschädigen. So ist es möglich, einzelne Graphen-Lagen (zweidimensionales Material) mit einem Klebeband von einem Graphitkristall (Van-der-Waals-Material) abzuziehen und auf beinahe beliebigen Oberflächen oder Substraten abzulegen. Diese technologisch sehr einfache mechanische Methode der Exfoliation ist auch auf andere Van-der-Waals-Materialien anwendbar. Daher wächst derzeit die Anzahl experimentell zugänglicher zweidimensionaler Kristalle mit den unterschiedlichsten Eigen­schaften rasch an. Diese Schichten lassen sich völlig unabhängig von zueinander passenden Gitterkonstanten oder Kristallorientierungen stapeln, sodass Van-der-Waals-Heterostrukturen entstehen. Die Auswahl und Abfolge der Schichten und ihre Orientierung zu­einander erlauben es, die physikalischen Eigenschaften der Heterostrukturen maßzuschneidern [2]...

 

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Andreas M. Menzel
10 / 2019 Seite 35
DPG-Mitglieder

Die Natur zum Vorbild

Aufgrund ihrer vielfältigen Funktionalisierbarkeit sowie durch Einbindung verschiedener Materialkomponenten lassen sich die Eigenschaften polymerer Materialien auf unterschiedlichste Weise variieren und anpassen. Dadurch können zum Beispiel thermisch oder magnetisch aktivierbare Aktoren entstehen, die mechanisch durch Deformationen auf externe Reize und veränderte Umgebungsbedingungen reagieren. Ein wesentliches Ziel besteht darin, autonom agierende polymere Systeme zu entwickeln, die nach einmaliger Aktivierung selbstständig eine gewünschte Tätigkeit ausführen.

Wann können Moleküle, Materialbausteine und Materialien als „intelligent“ gelten? Zunächst sollte ein solches Material „fähig“ sein, eine komplexe Aufgabe zu erfüllen. Beispielsweise wird an Mikrokapseln aus weichen Gelen geforscht, die unter passenden Umgebungsbedingungen gezielt Medikamente freisetzen. Zusätzlich sollte ein intelligentes Material „schlau“ genug sein, weitgehend selbstständig auf einen äußeren Reiz zu reagieren. Das heißt, die gewünschte Reaktion, etwa eine mechanische Deformation, folgt eigenständig als Antwort auf den äußeren Reiz. Etwas subjektiver ist von einem intelligenten Material eine „gewitzte“ oder „geniale“ Lösung eines gestellten Problems zu erwarten. Durch Optimierung seiner Komponenten und inneren Struktur wird dem Material „gelehrt“, die ihm übertragenen Aufgaben zur maximalen Zufriedenheit zu erfüllen.


Polymere Materialien sind ideale Kandidaten, um derartige Ziele zu erreichen. Einzelne Polymermoleküle bestehen aus einer enormen Zahl identischer Wiederholeinheiten, den Monomeren, die durch chemische Bindungen zu einem Makromolekül verknüpft sind. Solche Moleküle lassen sich synthetisch herstellen, kommen aber auch in der Natur vor. Aufgrund ihrer Größe ist es möglich, bereits auf einem einzigen Molekül unterschiedliche Funktionalitäten und Informationen zu speichern. Ein sehr prominentes Beispiel ist die menschliche DNA. Entlang dieses linearen Biopolymermoleküls ist über die räumliche Abfolge und Wiederholung von vier verschiedenen Monomeren die Erbinformation kompakt gespeichert. In gestrecktem Zustand ist das Molekül knapp zwei Meter lang. Wir haben es also im wahrsten Sinne des Wortes mit einem Makromolekül zu tun. Obwohl schätzungsweise wenige Kubikmeter DNA genügen, um das gesamte, globale menschliche Wissen zu kodieren, würden wir das Molekül für sich allein im obigen Sinne nicht als „intelligent“ bezeichnen. Die DNA kann zwar die Information tragen, wie auf externe Stimuli zu reagieren ist, benötigt im Organismus aber noch den biologischen Zellapparat, um entsprechende Aufgaben abzuarbeiten...

 

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Friedrich Wagner
10 / 2019 Seite 43
Pro-Physik-Mitglieder

Zwischenbilanz der Energiewende

In der Märzausgabe ging es um die Frage, wie die Ziele der Ener­giewende bis 2050 zu erreichen sind [1]. Mittels Sektorenkopplung lassen sich die CO2-Emissionen um 80 bis 85 Prozent senken. Mein Beitrag versucht eine Zwischenbilanz der Energiewende und hält fest, was bislang erreicht wurde. Dabei beschränke ich mich auf den Stromsektor, auf dem sich – anders als bei Wärmeversorgung oder Mobilität – der technische Wandel schnell vollzieht und erste Erfahrungen gesammelt wurden.

Im Jahr 2000 trat das Erneuerbare-Energien-Gesetz in Kraft. In Deutschland wurden die Jahre 2002 bis 2018 genutzt, um Wind- und Wasserkraft, Photovoltaik sowie Strom aus Biomasse als erneuerbare Energien um 100 GW auszubauen. Nach einer stürmischen Entwicklung lieferten diese Techniken 2018 einen zusätzlichen Energiebeitrag von 180 TWh. Noch 31 Jahre bleiben bis 2050 – dem Jahr, bis zu dem die Poli­tik die Energiesys­teme hin zu einer weitgehend CO2-freien Versorgung umgebaut haben will. 


Bis 2016 hat die Kapazität der installierten Leistung fossiler Energien leicht zugenommen (Abb. 1a). Die Ausnutzung der Kohlekraftwerke in Volllaststunden (full-load hours, flh) sank jedoch – für Braun- bzw. Steinkohle im Mittel um 26 bzw. 57 Stunden pro Jahr (h/a). Die Nutzung von Gas nahm im Mittel um 80 h/a zu. Der Ener­gieertrag der Kernenergie sank aufgrund des 2011 verfügten Endes von acht Kraftwerken und aufgrund des Abbaus weiterer Kapazitäten in den Folgejahren (Abb. 1b). Die Volllaststunden der verbliebenen Kraftwerke nahmen jedoch um 14 h/a zu! Die erneuerbaren Energien verzeichneten einen starken Zuwachs (Abb. 1c). Die flh-Werte von Onshore-Windenergie betrugen im Mittel der Jahre 2005 bis 2018 etwa 1650 h/a, entsprechende Werte für Offshore-Windenergie lagen um 3350 h/a. Beide lassen keinen Trend erkennen. Die PV-Werte betrugen über dasselbe Zeitfenster im Mittel 820 h/a – mit wachsendem Trend (flh etwa 1000 h in 2018)...

 

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Bildung und Beruf

Maike Pfalz
10 / 2019 Seite 50
DPG-Mitglieder

Porträt: „Physiker haben bei uns im Unternehmen eine besondere Tradition.“

Schon in der Schulzeit erwachte bei Prof. Dr. Michael Kaschke (62) das Interesse an der Laserphysik. Auch in Promotion und Habilitation widmete er sich diesem Thema. 1992 startete er als wissenschaftlicher Mitarbeiter bei ZEISS. 2000 wurde er in den Vorstand berufen, dessen Vorsitzender er seit 2011 ist. 2009 wurde er Honorarprofessor an der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik des Karlsruher Instituts für Technologie, wo er regelmäßig Vorlesungen, unter anderem zur Medizintechnik, hält.

Wieso haben Sie Physik studiert?


Physikalische Phänomene haben mich schon immer interessiert, und zu meiner Schulzeit setzte sich der Laser in technischen Anwendungen mehr und mehr durch. Das war für mich ein Grund, in Jena zu studieren. Die dortige Universität hat einen sehr guten Ruf, speziell in der Laserphysik.


Mit welchen Themen haben Sie sich während der Promotion beschäftigt?


Mit der Erzeugung ultrakurzer Lichtpulse und deren Vermessung. Später in der Habilitation habe ich diese Pulse genutzt, um schnelle Vorgänge in Molekülen zu vermessen, also Ultrakurzzeit-Spektroskopie zu betreiben.


Wieso haben Sie sich gegen die Karriere in der Wissenschaft entschieden?


Ich hatte die Gelegenheit, als Invited Visiting Scientist am IBM Research Center in den USA zu arbeiten. Dort habe ich erste Industrieluft geschnuppert. Zurück in Deutschland war mir klar, dass ich Forschung und Wissenschaft mit mehr Anwendungsnähe betreiben möchte. ZEISS bot mir diese Möglichkeit und passte auch inhaltlich genau zu meinen Interessen...

 

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Physik im Alltag

Ulrich Kilian
10 / 2019 Seite 52
Pro-Physik-Mitglieder

Mit Schall gegen Schmerz 

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Menschen

10 / 2019 Seite 54
DPG-Mitglieder

Personalien

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10 / 2019 Seite 57
DPG-Mitglieder

Nachruf auf Bruno Eckhardt

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10 / 2019 Seite 58
DPG-Mitglieder

Zum Gedenken an Wilfried Wurth

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10 / 2019 Seite 59
DPG-Mitglieder

Nachruf auf Otto Schärpf

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10 / 2019 Seite 60
DPG-Mitglieder

„Der Workshop hat neue Perspektiven eröffnet.“

Interview mit Daniel Weller

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Rezensionen

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10 / 2019 Seite 61
DPG-Mitglieder

Helmut Hetznecker: Relativitäts­theorie für Dummies

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10 / 2019 Seite 62
DPG-Mitglieder

Paul Meuser: Architekturführer Mond

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DPG

10 / 2019 Seite 23
DPG-Mitglieder

Forschung – Entwicklung – Innovation XLIV23

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10 / 2019 Seite 24
DPG-Mitglieder

Jobbörse auf der DPG- Frühjahrstagung

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10 / 2019 Seite 42
DPG-Mitglieder

Laborbesichtigungsprogramm

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10 / 2019 Seite 64
DPG-Mitglieder

Unterwegs in Frankreichs Süden

Kernfusion und Plasmaphysik waren Themen bei einer Fachexkursion der jungen DPG.

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10 / 2019 Seite 65
DPG-Mitglieder

Max-von-Laue-Kolloquium

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Tagungen

10 / 2019 Seite 66
DPG-Mitglieder

Superconductivity in low-dimensional and interacting systems

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10 / 2019 Seite 66
DPG-Mitglieder

One-Dimensional Systems for Quantum Technology

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10 / 2019 Seite 66
DPG-Mitglieder

Geschichte der Physik

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10 / 2019 Seite 67
DPG-Mitglieder

3D-Druck und 3D-Scan im Unterricht

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DPG-Mitglieder

Physics of Bacteria

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10 / 2019 Seite 67
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Tagungskalender

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10 / 2019 Seite 69
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Notizen

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Vakuum- und Niederdrucksysteme werden für unterschiedliche Zwecke, wie Elektronenmikroskope oder in der Halbleiterherstellung, eingesetzt. Forscher und Entwickler, die mit Vakuumsystemen arbeiten, nutzen verstärkt Simulation für eine effizientere Entwicklung und zur Reduktion kostspieliger Prototypen.

 

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