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Jost Herkenhoff
08 / 2021 Seite 77
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Digitale Manipulation

Experimente mit Penning-Fallen liefern wichtige Daten, um fundamentale Theorien zu überprüfen. Hierbei werden winzige Eigenschwingungen eines einzelnen gespeicherten Ions aufgenommen, um seine Masse präzise zu ermitteln. Durch elektronische Rückkopplung der Schwingungssignale auf das Ion lässt sich dessen Bewegung manipulieren. Dies ermöglicht es unter anderem, die Temperatur des Ions stark zu kühlen. Ein Rückkopplungssystem, das die Schwingung des Ions digitalisiert und in Echtzeit weiterverarbeitet, eröffnet neue Möglichkeiten der Ionenmanipulation.

Einsteins wahrscheinlich berühmteste Formel E = mc2 beschreibt die Äquivalenz von Energie und Masse und bildet mit der zugrundeliegenden Speziellen Relativitätstheorie einen Grundpfeiler der modernen Physik. Die aktuell genausten Experimente zum direkten Test dieser Formel kombinieren Ergebnisse aus Gammaspektrometern zur Bestimmung der Kernbindungsenergie mit hochpräzisen Massenmessungen von Ionen mittels Penning-Fallen-Massenspektrometrie [1]. Zuletzt gelang damit eine Übereinstimmung zu mindestens 99,99996 Prozent [2].

Das Penning-Fallen-Experiment Pentatrap am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg zielt darauf ab, die Theo­rie um eine Größenordnung genauer zu überprüfen [3, 4]. Eine der Hauptkomponenten ist ein supraleitender Magnet, der ein homogenes Magnetfeld von rund 7 Tesla erzeugt. Dieses zwingt ein zu vermessendes Ion aufgrund der Lorentz-Kraft auf eine Kreisbahn, wodurch es in der Ebene gespeichert ist. Die Kreisfrequenz dieser Bewegung ist durch ω = qB/m gegeben. Daher leitet sich die Masse m eines Ions mit Ladungszustand q aus einer Frequenzmessung ab. (...)

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Kim Ludwig-Petsch
08 / 2021 Seite 72
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Phänomenale Natur erleben

„Sag es mir, und ich werde es vergessen. Zeig es mir, und ich werde mich vielleicht erinnern. Lass es mich tun, und ich werde es verstehen.“ So brachte es Konfuzius auf den Punkt. Offenbar war ihm bewusst, dass das eigene Experimentieren und Erleben der Türöffner für das Lernen und Verstehen ist und damit der Schlüssel zur Welt der Physik und der zahlreichen alltäglichen Phänomene dahinter.

Erinnern Sie sich noch daran, wie Sie die Schwerkraft entdeckten? Sicherlich nicht, denn Sie waren dabei vermutlich noch keine zwei Jahre alt. Durch unzählige Experimente überzeugen sich bereits Kleinkinder davon, dass das Gesetz der Schwerkraft allgemein gültig ist: Alles fällt herunter, und zwar immer wieder. Später folgen komplexere Zusammenhänge: schiefer Wurf, Reibung oder Rotationsbewegungen. Auf Basis der eigenen körperlichen Erfahrung können Kinder auf diese Weise die Welt im wahrsten Sinne des Wortes be-greifen. Erst sehr viel später kommt in der Schule die formale Ausein­andersetzung mit physikalischen Beschreibungen und Erklärungen dazu, die – je nach Abstraktionsgrad – mehr oder weniger schwer fällt.

Oft neigen wir in der Vermittlung physikalischer Inhalte dazu, Dinge zu schnell zu „verein­fachen“. Aus einem komplexen Alltagsphänomen wird eine „einfache“ physikalische Formel – die jedoch leider nur noch wenige Menschen verstehen. Dies kann mitunter abschreckend wirken und baut unnötige Hürden beim Lernen der Naturwissenschaften auf. Zu oft vergessen wir Konfuzius und seinen Grundsatz, dass man als Lernender und Entdeckerin die Dinge und Phänomene zunächst selbst erleben muss. 

Welche Bedeutung das eigene Erleben von physi­kalischen Phänomenen für das persönliche Lernen hat, ist mir als Jugendlichem beim Gleitschirmfliegen bewusst geworden. Zunächst als Flugschüler, später als Fluglehrer, hat mich das unmittelbare Erleben von Auftriebskräften, Luftwiderstand und Zentripetalbeschleunigung fasziniert. Die Physik des Fliegens ist viel einfacher zu verstehen, wenn sie mit der eigenen Beobachtung und – körperlichen – Erfahrung verknüpft ist. Wenn sich beim Anbremsen des Gleitschirms der Luftwiderstand erhöht, der eigene Körper unter dem Schirm hindurchpendelt und gleichzeitig der Auftrieb steigt, verdeutlicht dies das Zusammenspiel aus Strömungskräften und Schwerkraft besser als jede Abbildung, Erklärung oder Animation.

Typischerweise lernen Kinder und Jugendliche Physik in der Schule bewusst kennen, und dabei lieben oder leider hassen. Aber man begegnet ihr auch regelmäßig in Museen und an anderen außerschulischen Lernorten – und natürlich im Alltag bei der Auseinandersetzung mit vielen technischen Geräten wie Handy, Fernseher oder Kopfhörer beziehungsweise bei der Beobachtung von Phänomenen wie Regenbogen oder Sonnenfinsternis. Heutzutage boomen Wissenssendungen, Podcasts, Quizshows und andere Formate. Daher stellt sich die Frage, wie man als begeisterter Physiker seine Passion einem breiten Publikum näherbringen kann. Der Schlüssel dafür liegt im eigenständigen Erleben und Experimentieren. (...)

 

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Michael Düren
08 / 2021 Seite 68

Das Ende der Autobahn

Der Klimawandel verlangt grundsätzliche und schnelle Veränderungen unserer Gesellschaft. Die Energie- und Verkehrsinfrastruktur spielen dabei eine Schlüsselrolle. Eine Umwidmung der Autobahnen für eine sogenannte Schnellstraßenbahn könnte eine völlig neue Ära der Mobilität einläuten.

Mit dem anthropogenen Klimawandel habe ich mich erstmals in den 1980er-Jahren beschäftigt, als mein Aachener Professor mich zum Arbeitskreis Energie der DPG einlud. Als Kern- und Teilchenphysiker habe ich natürlich zunächst über neuartige Kern­reaktoren nachgedacht. Abstand davon nahm ich letztlich aufgrund folgender Überlegung: Der globale Primärenergiebedarf beträgt in jeder Sekunde im Mittel etwa 18 000 GW [1], was einer Leistung von etwa 18 000 Kernkraftwerken entspricht. Wenn also Kernenergie einen signifikanten Anteil der Primärenergie liefern soll, so sind tausende Reaktoren auf allen Kontinenten nötig. Aufgrund der damit einhergehenden Risiken erzeugt die Kernenergie mehr Probleme, als sie löst – insbesondere bei Terrorismus und Proliferation. Damit war für mich das Kapitel Kernenergie abgeschlossen, auch wenn viele meiner Kollegen entgegengesetzter Ansicht sind [2, 3]. Doch wie lässt sich der immense Energiehunger unserer modernen Gesellschaften stattdessen stillen? (...)

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Richard A. Wilhelm
08 / 2021 Seite 64
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Hohe Ladung trifft dünne Schicht

Beim Durchgang durch zweidimensionale Materialien werden langsame Ionen in hohen Ladungszuständen neutralisiert und deponieren ihre potentielle Energie im Material. Dies perforiert suszeptible Materialien in definierter Weise und lässt sich durch einen interatomaren, nicht-strahlenden Abregungsprozess quantitativ beschreiben. Dieser Artikel stellt generelle Eigenschaften hochgeladener Ionen vor und diskutiert neueste Erkenntnisse zur Ladungsaustauschspektroskopie und Nanostrukturierung von freitragenden zweidimensionalen Materialien und ihren Heterostrukturen.

Ionen lassen sich in vielen Anwendungen nutzen, um beispielsweise Oberflächen zu glätten oder gezielt aufzurauen oder um die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern durch Implantation von Ionen zu kontrollieren. Außerdem eignen sich Ionen, um dünne Schichten tiefenaufgelöst zu analysieren. Im Vergleich zu elektronengestützten Methoden besitzen Ionen eine deutlich größere Masse und eine veränderliche Eigenschaft: ihren Ladungszustand. Die Ladung eines Ions kann entweder leicht negativ sein oder durch sukzessive Ionisation von Elektronen hohe positive Werte erreichen. In Atomen hat jedes Elektron eine eher kleine Bindungsenergie: Sie liegt bei etwa 10 eV für Valenzelektronen und einigen keV für kernnahe Elektronen. Allerdings nimmt sie mit jedem Ionisationsschritt zu: Für Ladungszustände zwischen 30 und 40 beträgt der gesamte Energieaufwand zum Erreichen dieser Ladung für schwere Ionen wie Xenon zwischen 10 und 40 keV (Abb. 1) – diese potentielle Energie ist ein für Ionen einzigartiger Parameter [1].

Wenn Ionen in hohen Ladungszuständen vorliegen, kann sich dies durch Elektroneneinfang oder -emission zeitlich ändern. Trifft ein Ion auf eine Festkörperoberfläche, so tritt es mit dem elektronischen System der Oberfläche in Wechselwirkung. Besitzen die Ionen Geschwindigkeiten, die kleiner sind als die Fermi-Geschwindigkeit des Materials von etwa 106 m/s (oder näherungsweise kleiner als die Elektronenorbitalgeschwindigkeit), dominiert der Elektroneneinfang. Bei der Neutralisation setzt das Ion die in ihm gespeicherte potentielle Energie frei. Als Ergebnis bilden sich typischerweise Nanostrukturen wie Löcher, Hügelchen oder Kraterstrukturen auf der Oberfläche aus, die für Anwendungen interessant sein können. Im Detail stellen sich die Fragen, wie die Abgabe der potentiellen Ener­gie an das Material funktioniert und durch welchen Mechanismus sich die Nanostrukturen bilden [2]. Beispielsweise bestimmt der zeitliche Verlauf des Ladungsaustauschs, der Ener­gieabgabe und der elektronischen Antwort der Oberfläche das Depositionsprofil der potentiellen Ener­gie. Dieses Profil ist ein wichtiger Ausgangsparameter für Simulationen der Oberflächenmodifikation. (...)

 

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Benedict Seiferle
08 / 2021 Seite 60
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Auf dem Weg zur Kernuhr

Die fortschreitende Entwicklung optischer Atomuhren ermöglicht immer genauere Uhren. Eine Alternative stellt eine Kernuhr dar, basierend auf dem Isotop 229Th und dessen metastabilem, erstem angeregten Kernzustand 229mTh.

In den letzten Jahren ist es gelungen, viele neue Erkenntnisse über den energetisch niedrigstliegenden aller bisher bekannten Kernzustände zu gewinnen [1]. Mittlerweile arbeiten zahlreiche Gruppen weltweit an der weiteren Erforschung des Isomers 229mTh mit dem Ziel, eine optische Uhr basierend auf einem nuklearen Übergang zu realisieren. Das „m“ steht hier für metastabil und bezeichnet einen langlebigen Kernzustand mit einer Lebensdauer größer als Nanosekunden. Während die Energiedifferenzen zwischen angeregten Zuständen in Atomkernen typischerweise im Bereich von mehreren keV bis einigen MeV liegen, nehmen das Isotop 229Th und sein erster angeregter nuklearer Zustand eine Sonderstellung ein: Die Anregungsenergie des Kernisomers beträgt nach aktuellem Kenntnisstand lediglich (8,19 ± 0,12) eV – gemittelt aus [2, 3] – und liegt damit in einem Energiebereich wie atomare Hüllenübergänge. Das ermöglicht es, den Kernzustand mit einem Laser anzuregen. (...)

 

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Naëmi Leo
08 / 2021 Seite 56
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Ising can’t get no satisfaction

Bei der spontanen Bildung magnetischer Zustände ergeben sich aus kollektiven Ordnungsphänomenen oft überraschende Materialeigenschaften. Besonders interessante Spinstrukturen treten auf, wenn Wechselwirkungen miteinander konkurrieren. Mittels Nano­lithografie hergestellte Spin-Systeme erlauben es, solche frustrierten magnetischen Strukturen direkt zu beobachten. Die zeitliche Entwicklung komplexer Spin-Ordnungen gibt dabei Aufschluss über ihre grundlegenden Gesetz­mäßigkeiten.

Im Alltag begegnen uns magnetische Materialien meist als Ferromagneten; etwa in Motoren, als Datenspeicher oder um Notizen an den Kühlschrank zu pinnen. Für diese Funktionalitäten nutzen wir deren spontane Magnetisierung, die sich aus der parallelen Anordnung der atomistischen magnetischen Momente ergibt. Weniger alltäglich, dafür aber von großem Interesse für mögliche technologische Anwendungen und Gegenstand eines sehr produktiven Forschungsfelds, sind Antiferromagneten. In diesen richten sich atomistische magnetische Momente spontan in antiparallelen oder andersartig kompensierten Konfigurationen aus. Dadurch können emergente Material­eigenschaften entstehen, welche sich radikal von denen der elementaren Bausteine unterscheiden. So lässt sich etwa in Multiferroika eine spontane Trennung von posi­tiven und negativen Ladungen im Material (ferroelektrische Pola­risierung) beobachten, die durch komplizierte antiferromagnetische Spin-Ordnungen induziert wird.

Eine besondere Klasse antiferromagnetischer Materia­lien sind Spin-Eis-Systeme, in denen sich durch die geometrische Anordnung der atomistischen magnetischen Momente nicht alle Spin-Spin-Wechselwirkungen simultan befriedigen lassen. Als Konsequenz dieser Frustration bildet sich keine globale langreichweitige Ordnung aus. Stattdessen stellt sich eine magnetische Struktur ein, die zufällig wirkt, aber auf lokalen Längenskalen klaren Regeln folgt: Diese Regeln pos­tulierte Linus Pauling 1935, um die Struktur und die endliche Nullpunktentropie von Wassereis zu erklären [1]. (...)

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Anna Köhler
08 / 2021 Seite 51
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Materialien für heute und morgen

Fast jeder verwendet heute organische Halbleiter: Sie lassen das Display im Mobiltelefon und im Fernsehbildschirm kristallklar leuchten. Im Fotokopierer und im Laserdrucker sind sie dafür verantwortlich, dass der Toner elektrostatisch an der beleuchteten Stelle angelagert wird und dort fixiert werden kann. Inzwischen rücken neben klassischen Anwendungen wie flexiblen Solarzellen auch neuartige wie bioelektronische Sensoren und beschichtete Elektrotextilien in den Fokus.

Ein Halbleiter besitzt eine elektrische Leitfähigkeit, die zwischen der eines Isolators und eines Metalls liegt. Meist befinden sich die Energieübergänge zwischen gefüllten und leeren Zuständen im sichtbaren Spektral­bereich, sodass viele Halbleiter Licht absorbieren und emittieren können. Daher kommen sie neben Transis­toren auch für Solarzellen und Leuchtdioden bzw. Diodenlaser zum Einsatz. Am weitesten verbreitet sind Halbleiter aus anorganischen Materialien wie Silizium, Germanium, Galliumarsenid oder Gallium­nitrid. Bereits früh gelang es, ihre Leitfähigkeit kontrolliert zu modifizieren und sie so für elektronische Bauteile, insbesondere Feldeffekttransistoren, zu nutzen.

Organische Halbleiter bestehen dagegen im Wesentlichen aus Kohlenstoff und Wasserstoff sowie einem geringen Anteil an Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel. Sie liegen als Polymere oder niedermolekulare Verbindungen vor. Erste Untersuchungen ihrer Halbleitereigenschaften begannen in den 1950er-Jahren, breites wissenschaftliches Interesse riefen sie jedoch erst hervor, nachdem in den 1980er- und 1990er-Jahren ihre technologische Nutzung als Photoleiter beim Fotokopieren und als Emitter in Displays rasch voranschritt. Organische und anorganische Halbleiter unterscheiden sich deutlich in ihren optischen und elektronischen Eigenschaften. Daher lassen sich die Gesetz­mäßigkeiten und Gleichungen für die anorganischen kristallinen Halbleiter nicht direkt auf ihre organischen Pendants übertragen [1]. (...)

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Andreas K. Hüttel
08 / 2021 Seite 47
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Hybride Nanoröhren

Hybride Bauelemente vereinen verschiedenste Technologien, Mechanismen oder Materialien, um die jeweils besten Eigenschaften auszunützen. An der Grenze zwischen makroskopischer Physik und molekularer Nanotechnologie eignen sich Kohlenstoff-Nanoröhren für solche Ansätze besonders. Ihre elektronischen und mechanischen Eigenschaften hängen eng miteinander zusammen, was insbesondere bei tiefen Temperaturen neue technische Entwicklungen ermöglicht. Beispiele sind die schnelle Kontrolle quantenmechanischer Zustände und die lange Speicherung von Quanteninformation, bis hin zum „nano-elektromechanischen Quantencomputer“.

Der aus dem Griechischen stammende Begriff „Hybrid“ bezeichnet eine „Kreuzung“ oder „Mischform“. In der Biologie sind beispielsweise Maultier und Maulesel die natürlichen Kreuzungen von Pferd und Esel. Allgemeiner kommt der Begriff in Wissenschaft und Technik zum Einsatz – von der hybriden Armbanduhr, die eine analoge und eine digitale Anzeige kombiniert, bis zum Hybridunterricht der Schule, der digitale Elemente und Präsenzunterricht vereint. Bekannt ist auch der „Plug-In-Hybrid“ als Auto mit Verbrennungs- und Elektromotor, das sich sowohl mit Benzin betanken als auch an der Steckdose aufladen lässt.

In der Nanotechnologie sind in hybriden Bauelementen verschiedene Mechanismen, Technologien oder unterschiedliche Materialien und Materialtypen kombiniert. Typische Beispiele sind die Kombination von Supraleiter- und Halbleiter-Elementen, von organischen und anorganischen Materialien, von Mechanismen aus Bio­logie und Festkörperphysik oder Optik und Elektronik. Arbeits­gruppen und Forschungszentren weltweit arbeiten daran, die Eigen­schaften von Bauelementen zu optimieren und neue Funktionalitäten zu entwickeln – durch die Kombination verschiedenster Teile, die einzeln auf unterschiedliche Weise glänzen. Entsprechende Zentren in Deutschland finden sich etwa in München (Nanosystems Initiative Munich) oder in Hamburg (Center for Hybrid Nanostructures). (...)

 

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Ehrenamtliches Engagement

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