Physik Journal 4 / 2015

„Ich habe schon immer gerne im Schnee gespielt“, sagt van Herwijnen und nimmt die Lawinen­schaufel in die Hand. Er sticht damit senkrecht in den Schnee und schaufelt so lange Schnee beiseite, bis er einen senkrechten Schnitt durch die 1,30 Meter dicke Schneedecke freigelegt hat. Bereits auf den ersten Blick sind verschiedene Schichten zu erkennen, die er nun routiniert vermisst. Mit einem Metermaß bestimmt er die Tiefe der Schichten, mit einer Lupe Größe und Form der Schneekörner und mit einem Thermometer das Temperaturprofil. „Die Schneedecke ist wie ein Archiv der Witterung“, erklärt er und zeigt auf eine tief eingeschneite dünne Kruste: „Die ist vom 10. und 11. Januar, da hat es bis auf 2500 Meter Höhe geregnet“. Anschließend fielen 20 Zentimeter Schnee, bevor es eine Woche lang sonnig war mit sehr kalten Nächten, in denen sich Oberflächenreif gebildet hat. Unter der Lupe sind die großen kantigen Schneekristalle des Reifs zu erkennen. Da diese sich mit den seither gefallenen 60 Zentimeter Schnee nur schlecht verbinden können, ist die eingeschneite Reifschicht entscheidend für die Lawinengefahr: Spontan oder unter Belastung durch einen Skifahrer kann diese Schwachschicht kollabieren. Ist der Hang flach, macht sich das nur durch ein deutlich hörbares „Wumm“ bemerkbar. Ist der Hang aber steiler, kann die ganze Schneedecke über der Schwachschicht ins Gleiten kommen und als Schneebrettlawine abgehen.

Mit der touristischen Erschließung der Alpen, dem Bau von Verkehrswegen und Wasserkraftwerken stieg Anfang des letzten Jahrhunderts die Notwendigkeit, Lawinen und ihre Entstehung wissenschaftlich zu untersuchen. 1942 wurde daher das Eidgenössische Institut für Schnee- und Lawinenforschung gegründet. Im Winter 1950/51 fiel so viel Schnee, dass in der Schweiz fast hundert Lawinentote zu beklagen waren. Dies führte die praktische Notwendigkeit von Lawinenschutz und -vorhersage drastisch vor Augen und löste verstärkte Forschungsanstrengungen aus. Heute ist das SLF ein interdisziplinäres Institut, dessen 140 Mitarbeiter sich mit der Entstehung und der Dynamik von Lawinen ebenso befassen wie mit den Materialeigenschaften von Schnee oder der Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen. Dazu stehen ihnen Kältelabors und eine Schneemaschine zur Verfügung sowie verschiedene Versuchsfelder, in denen sie auch gezielt große Lawinen durch Sprengungen auslösen, um zum Beispiel Simulationsrechnungen mit den Beobachtungen zu vergleichen. Wintersportler kennen das SLF vor allem wegen des täglichen Lawinenbulletins, das die Lawinengefahr für alle Schweizer Berg­regionen mit den Stufen 1 („gering“) bis 5 („sehr groß“) quantifiziert. Wichtige Puzzleteile für das Bulletin sind Wetterbeobachtungen und Schneeprofile, die regelmäßig an verschiedenen Punkten in der Schweiz aufgenommen werden...

Von der Entdeckung der Flüssigkristalle durch den Botaniker Friedrich Reinitzer 1888 an der Deutschen Technischen Hochschule Prag war es ein langer Weg bis zu Displayanwendungen [1]. Zunächst war die Beobachtung von zwei Schmelzpunkten bei Cholesterylbenzorat und von diversen Farberscheinungen im Polarisationsmikroskop der Start eines jahrzehntelangen Streits in der wissenschaftlichen Welt. Neben der Reinheit der Materialien bestand Zweifel an der grundsätzlichen Möglichkeit, dass „flüssige Kristalle“ existieren, zeitweise wurde gar über „lebende Kristalle“ spekuliert. Erst 50 Jahre nach Entdeckung der Flüssigkristalle (Abb. 1) war es gelungen, viele ihrer Eigenschaften zu beschreiben, eine vollständige theoretische Beschreibung oder konkrete Anwendungen waren jedoch noch weit entfernt.1)

Erste Anwendungen auf der Grundlage der elektro-optischen Eigenschaften von Flüssigkristallen realisierte George Heilmeier in den 1960er-Jahren [3]. Ein Durchbruch gelang 1970 mit der Entwicklung der TN-Zelle (Twisted Nematic, Abb. 2) durch Wolfgang Helfrich und Martin Schadt und fast zeitgleich durch James Ferguson. In der TN-Zelle sind die Flüssigkristalle schraubenförmig mit einer Verdrillung von 90° angeordnet. Ist dabei das Produkt aus Schichtdicke und Doppelbrechung der Flüssigkristalle auf einen festen Wert von etwa 500 nm eingestellt, so kann anschaulich gesprochen die Polarisationsrichtung des Lichts nach Eintritt in die Zelle der Flüssigkristallschraube folgen und einen zweiten, um 90° gedrehten Polarisator durchqueren. In dem Fall ist die Zelle transparent...

Frustration ist ein alltägliches Phänomen, und sie ist natürlich auch Physikern nicht fremd. Sie wissen aber Frustration durchaus zu schätzen, etwa wenn sich diese bei einem System einstellt, auf das gleichzeitig widerstrebende Kräfte wirken und es nicht allen gleichermaßen folgen kann. Denn das kann interessante Konsequenzen haben. Ein Beispiel aus dem Bereich der Festkörperphysik sind „frustrierte“ Quanten­magnete, in denen die elementaren magnetischen Momente − meist Spins genannt − miteinander über verschiedene Austauschwechselwirkungen koppeln, die jedoch nicht alle gleichzeitig minimiert werden können.

Die geometrische Frustration tritt immer dann auf, wenn die von einem Antiferromagneten favorisierte antiparallele Anordnung benachbarter Spins (Néel-Ordnung) nicht kommensurabel ist mit den elementaren Bausteinen eines Gitters. Besonders klar wird dies bei Spins auf einem isolierten Dreieck: Da es nie möglich ist, alle drei Spins antiferromagnetisch anzuordnen, bleibt ein Spin immer „frustriert“. Geo­metrisch frustrierte Gitter sind deswegen häufig aus Dreiecken aufgebaut, wobei sich benachbarte Dreiecke eine Ecke teilen (Abb. 1a). Wichtige Beispiele sind das dreidimensionale Pyrochlor-Gitter oder das zwei­dimensionale Kagomé-Gitter...