Physik Journal 9 / 2019

Woher kam bei Ihnen das Interesse an der Biophysik?

Mir ging es um die Frage: Was kann die Physik dazu beitragen, die Biologie zu verstehen? Bei dem Thema war der Lehrstuhl von Herrn Sackmann an der TU München führend, deswegen bin ich nach dem Studium von Heidelberg nach München gewechselt und habe mich dort in der Arbeitsgruppe von Joachim Rädler mit lipidmembrangestützter Mikroelektrophorese beschäftigt.

Wann kam die Idee zur Unternehmensgründung?

Während der Promotion habe ich viele kleine Kammern gebastelt für meine Experimente. Die Kammern hatten einen Glasboden, an den wir recht aufwändig verschiedene Konstruktionen geklebt haben, um Kanäle zu erzeugen. Damals kamen Kunststoffe auf mit den gleichen optischen Eigenschaften wie Glas, die aber viel besser zu verkleben sind.

Und war das so?

Im relevanten Wellenlängenbereich war der Kunststoff tatsächlich genauso gut wie Glas. Deswegen sind wir dazu übergegangen, Plastikkämmerchen zu bauen. Mein Betreu­er Joachim Rädler, mein Kollege Roman Zantl und ich haben schnell gesehen, dass diese Kunststoff­kammern für die Zelldiagnostik sehr vielversprechend sind. Am Ende war der Wille entstanden, eine Firma damit zu gründen, um Werkzeuge für die Lebendzellforschung zu schaffen.

Wie sind Sie die Ausgründung angegangen?

Der Münchner Businessplanwettbewerb hat uns dazu motiviert einen eigenen Businessplan zu schreiben. Allerdings wollte ich zunächst meine Doktorarbeit abschließen. 2001 ging es der New Economy schon wieder schlechter, sodass es schwieriger wurde, an Startkapital zu kommen. (...)

Die Studierendenstatistik der Konferenz der Fach­bereiche Physik (KFP) basiert auf Zahlen von allen 59 Physik-Fachbereichen an deutschen Universitäten. Der zugrunde liegende Datensatz für die Fachstudiengänge ist erneut nahezu vollständig und in hohem Maße aussagekräftig, während dies für die Lehramtsstudiengänge nur mit Abstrichen gilt.

Neuimmatrikulationen

Im Wintersemester 2018/19 und Sommersemester 2019 haben sich 16 404 Personen zum ersten Mal in einen Physikstudiengang eingeschrieben, 12 394 davon in einen Bachelorstudiengang Physik, 1536 in einen Bachelorstudiengang mit Schwerpunkt Physik und 2380 in einen grundständigen Lehramtsstudiengang (Bachelor oder Staatsexamen), 11 in den einzig verbliebenen Diplomstudiengang (Tab. 1 und Abb. 1). Das sind fast exakt so viele Neuimmatrikulationen wie im Jahr zuvor. Die Zahl der insgesamt in einen Physikstudiengang eingeschriebenen Personen hat sich geringfügig auf 52 537 im vergangenen Wintersemester erhöht.

Ein Physik-Masterstudium nahmen 3433 Studierende neu auf, 2694 davon in einem Studiengang Physik und 739 in einem Studiengang mit Schwerpunkt Physik (Tab. 1 und Abb. 1). Das bedeutet eine Steigerung von fast acht Prozent gegenüber dem Vorjahr (3179). Insgesamt bewegt sich die Zahl derjenigen, die ein Mas­terstudium aufnehmen, damit seit sechs Jahren zwischen 3200 und 3700.

Für ein Physik-Lehramtsstudium haben sich im vergangenen Jahr 2463 Personen eingeschrieben, 1573 davon für einen Bachelor- und 890 für einen Staatsexamensstudien­gang. Das sind fast genau so viele wie im Jahr zuvor. Allerdings erschweren die Vielfalt von Lehramtsstudiengängen und möglicher Kombinationen die statistische Erhebung. Ein Lehramts-Masterstudium haben 340 Studierende neu angetreten.

Parkstudierende

Leider scheint sich auch bei den Parkstudierenden wenig zu ändern: Viele Neuimmatrikulierte haben offenbar nicht die Absicht, ein Studium aufzunehmen, sondern wollen nur die Vorzüge des Studierendenstatus genießen. An einem Fachbereich erschienen von 806 im Sommersemes­ter 2019 neu Immatrikulierten ganze 10 im Hörsaal. Rechnerisch wäre das eine „Abbruch“quote von 98,8 %. Die Problematik lässt sich auch statistisch gut beschreiben: Für das Wintersemester 2018/19 haben 42 Fachbereiche für 48 Fachphysik-Bachelorstudiengänge neben der Zahl ihrer Erstimmatrikulierten (6817) auch die Zahl der realen Studienanfängerinnen und -anfänger (4276) übermittelt. Dies entspricht einer Stichprobe von 78 % aller in solchen Studiengängen Erstimmatrikulierten (8703). In dieser Stichprobe ergibt sich eine Parkstudierendenquote von 37 %. Für das Sommersemester 2019 beträgt sie sogar 81 %, bei absolut kleineren Zahlen (Stichprobe: 2471 von 3691, also 67 % aller Erstimmatrikulierten). Fasst man Winter- und Sommer­semester zusammen, liegt die Parkstudierendenquote bei 49 %. (...)

Die Struktur des Phasen­diagramms stark wechselwirkender Materie besser zu verstehen, ist seit etwa drei Jahrzehnten das Ziel intensiver Forschungsbemühungen [1]. Zusammenfassungen der theoretischen und experimentellen Anstrengungen und Ergebnisse kurz vor dem Start des Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf finden sich in [2, 3]. In der Quantenchromo­dynamik (QCD) nimmt die Kopplungskonstante der QCD für Wechselwirkungen zwischen ihren Konstituenten, den Farbladung tragenden Quarks und Gluonen, mit wachsendem Relativ­impuls ab. Kurz nach der Entdeckung dieser asymptotischen Freiheit erkannte man, dass Materie aus Quarks und Gluonen bei sehr hohen Dichten und/oder Temperaturen völlig andere Eigenschaften haben sollte als normale Kernmaterie, wie sie im Zentrum schwerer Atomkerne existiert. Solch heiße Quarkmaterie ist nämlich auch charakterisiert durch hohe Impulse der Konstituenten. In diesem Materiezustand können sich Quarks und Gluonen nahezu frei bewegen: Der Farbeinschluss, der ihre Bewegung in Kernmaterie auf Dimensionen des Radius eines Protons einschränkt, ist aufgehoben. Solche Materie exis­tierte im frühen Universum bis etwa 10 Mikrosekunden nach dem Urknall [4] und wurde nach Edward Shuryak [5] Quark-Gluon Plasma (QGP) genannt. Ähnlich wie im Urknall besteht das am LHC produzierte QGP in (nahezu) gleichen Anteilen aus Materie und Antimaterie.

Das Phasendiagramm der QCD beschreibt die unterschiedlichen Phasen der starken Wechselwirkung: die hadronische Phase, in der die gegenwärtig bekannten Teilchen der starken Wechselwirkung, die Hadronen, exis­tieren, sowie die QGP-Phase aus Quarks und Gluonen. Die Quarkmaterie-Forschung soll unter anderem beantworten, bei welcher Temperatur und Dichte der Übergang zwischen beiden Phasen stattfindet und wie aus den frei beweglichen, Farbladung tragenden Quarks und Gluonen die farblosen Hadronen entstehen, in denen die Konstituenten eingeschlossen sind (confinement). Im Folgenden beschreiben wir, wie man aus der Messung von Hadronen, die in Kern-Kern-Stößen bei hoher Energie entstehen, die Übergangstemperatur zwischen den beiden Phasen bestimmen kann. Die Ordnung des Phasenübergangs ist bisher nicht experimentell bestimmt, theoretische Analysen [1] geben aber sehr überzeugende Hinweise, dass zumindest für das bei LHC-Energien produzierte QGP der Phasenübergang kontinuierlich ist („cross over“) [6]. (...)

Turbulente Strömungen sind allgegenwärtig in Natur und Technik. Die oft wichtigste Frage ist die nach ihren Transporteigenschaften. Das gilt für den Wärme-, Massen- und Impulstransport, der den hydrodynamischen Widerstand der Strömung bestimmt, beispielsweise eines Flugzeugs, Autos, Radrennfahrers oder Eisschnellläufers. Ein Beispiel für den turbulenten Wärmetransport, der uns ganz direkt betrifft, ist die Wärme, die wir an die Umgebung abgeben: Wir fühlen direkt, dass wir im kalten Wind mehr frieren als in windstiller Umgebung. Auf viel größerer Skala ist der Abtransport der Abwärme von elektronischen Geräten, von chemischen Reaktionen, in der Metallproduktion oder von Kraftwerken sehr wichtig. Beispiele auf noch größerer Skala sind der Wärmetransport in der Atmosphäre, im Ozean, im Kern und in der äußeren Hülle der Erde oder in Sternen.

Die meisten dieser Systeme sind für eine detaillierte Modellierung viel zu kompliziert. Daher haben die Fluid­physiker stark vereinfachte Modellsysteme entwickelt, die auf die wesentlichen Eigenschaften reduziert sind. Für den Wärmetransport ist das die Rayleigh-Bénard-Strömung in einem von unten geheizten und von oben gekühlten Gefäß (Abb. 1a). Für den Impulstransport ist es die Taylor-Couette-Strömung zwischen zwei koaxialen rotierenden Zylindern (Abb. 1b). An diesen paradigmatischen Systemen sind in den letzten hundert Jahren viele neue Konzepte ausprobiert worden – Instabilitäten, nichtlineare Dynamik und Chaos, Musterbildung [1] oder Turbulenz [2 – 6]. Warum diese beiden Systeme sozusagen zu „Drosophilas der Fluid­physik“ wurden, hat verschiedene Gründe (...)

Technologischer Fortschritt hängt entscheidend von der Entdeckung und dem Verständnis von Materialien mit neuen oder verbesserten funktionalen Eigenschaften ab. Daher stehen Quantenmaterialien im Fokus der Forschung [1]. Dazu zählen Materialien, deren makroskopische Eigenschaften wie Leitfähigkeit und Magnetismus durch die Quantennatur der Valenzelektronen und deren kollektives Verhalten bestimmt werden. Diese Eigenschaften können künftig dazu dienen, verlustfreie Elektronik basierend auf Spinströmen, Energieumwandlung mittels Photovoltaik und Thermoelektrik sowie leis­tungsfähige Quantencomputer zu ermöglichen.

Graphen, topologische Isolatoren, Weyl-Halbmetalle und Quantenspinflüssigkeiten sind Beispiele für Quantenmaterialien, die viel Interesse auf sich gezogen haben. Typische Quantenmaterialien sind auch unter den Oxiden der Übergangsmetalle mit unvollständig gefüllten d-Elektronenschalen zu finden. Solche d-Elektronen sind weder wie f-Elektronen vollständig lokalisiert noch wie s- und p-Elektronen vollständig delokalisiert und weisen Spin-, Ladungs- und Orbitalfreiheitsgrade auf. Als Folge der starken Korrelationen, die von der Coulomb-Abstoßung der Elektronen herrühren, zeigen d-Elektronensysteme ein äußerst vielfältiges Phasenverhalten mit Mott-isolierenden, metallischen, ferro-, ferri- und antiferromagnetischen, ferroelektrischen, multiferroischen und supraleitenden Phasen. Diese liegen oft energetisch sehr nahe beieinander und sind daher empfindlich gegenüber kleinen Änderungen durch ein äußeres magnetisches oder elektrisches Feld, Druck, Dotierung oder die Veränderung in der Temperatur. (...)

1859 gelang dem Chemiker Robert Bunsen zusammen mit dem Physiker Gustav Kirchhoff die Spektralanalyse chemischer Elemente. Dem Erhitzen der chemischen Substanzen in der Flamme des Bunsenbrenners folgten unkontrollierte Anregungen der Atome und die Emission von Licht in deren charakteristischen Spektrallinien. Die komplexe Kontrolle dieser Anregungen wurde erst durch den 1960 von Ted Maiman entwickelten Laser möglich. Der Laser revolutionierte die Atomphysik und ermöglichte die Geburt der Quantenoptik und die gegenseitige Kontrolle von Licht und Materie mittels Atom­übergängen [1].

Bis zur Inbetriebnahme der ersten Freie-Elektronen-Laser vor zehn Jahren spielte sich die Erfolgsgeschichte des Lasers im optischen und infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums ab. Nun lassen sich aber auch sehr intensive Röntgenpulse mit laserähnlichen Eigenschaften erzeugen [2]. Weitere Lichtquellen wie die im Bau befindliche Extreme Light Infrastructure könnten sogar kohärente Gammastrahlung erzeugen. Aufgrund der höheren Frequenz kann diese Strahlung resonant an Atomkerne gekoppelt werden, und eine gegenseitige Kontrolle von Licht und Atomkernen wird möglich. Passende Energiedifferenzen finden sich in vielen Kernen zwischen dem Grundzustand und dem ersten angeregten Zustand. (...)

Das Plancksche Strahlungsgesetz beschreibt die temperaturabhängige spektrale Energiedichte der Schwarzkörperstrahlung. Demnach ist sie sehr breitbandig mit einem Maximum bei der thermischen Wellen­länge, die bei Zimmertemperatur etwa 10 Mikrometer beträgt. Die Schwarzkörperstrahlung ist ein Lehrbuchbeispiel für inkohärente Strahlung – mit einer Kohärenzzeit bei Zimmertemperatur von etwa 25 Femtosekunden und einer Kohärenzlänge von 7 Mikrometern. Das Plancksche Strahlungsgesetz erlaubt es, die Energie pro Zeit und Fläche bzw. den Wärmefluss Φ zu bestimmen, den ein idealer Schwarzer Strahler in eine kalte Umgebung emittiert. Das daraus resultierende Stefan-Boltzmann-Gesetz legt nicht nur den Wärmefluss ΦBB eines idealen Schwarzen Strahlers fest, sondern auch den größtmöglichen Wärmefluss, den ein realer Wärmestrahler emittieren kann. Dies folgt sofort aus dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz.

Die Gültigkeit der Theorie unterliegt allerdings gewissen Grenzen, die Max Planck 1906 genau festlegte. Sie gilt demzufolge nur, wenn Abstände, Krümmungsradien und die Größen der betrachteten Körper sehr viel größer sind als die thermische Wellen- bzw. Kohärenzlänge. Doch was geschieht, wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind? Betrachtet man beispielsweise die spektrale Energiedichte der Schwarzkörperstrahlung in einem Hohlraum für Abstände zu den Wänden des Hohlraums, die kleiner sind als die thermische Wellenlänge − also im Nahfeldbereich −, ist Plancks Theorie nicht mehr anwendbar. Ebenso kann sie nicht den Wärmetransfer zwischen zwei Körpern beschreiben, deren Abstand zueinander im Nahfeld liegt. Hier sind allgemeinere Theorien erforderlich. (...)

Ohne Halbleiter wäre das Informationszeitalter, das mit der Entwicklung des Transistors in den Bell Labs 1947 begann, wohl nicht angebrochen. Auch in Solarzellen, Verstärkern, Sensoren, Leuchtdioden oder Lasern spielen Halbleiter eine wichtige Rolle. In der Elektronik und Photovoltaik dominiert Silizium den Markt, das allerdings aus hochreinen Einkristallen prozessiert werden muss. Dieser energieintensive Prozessschritt ist nötig, um Störstellen zu minimieren, an denen Ladungsträger sonst rekombinieren würden. Bei anorganischen lichtemittierenden Halbleitern spielt Silizium aufgrund seiner indirekten Bandlücke keine Rolle. Hier entwickelten und optimierten Forscher Verbindungshalbleiter wie GaN oder AlGaAs. Auch hier ist das epitaktische Wachstum hochkristalliner und defektfreier Schichten notwendig.

Um auf solch aufwändige und teure Herstellungsverfahren verzichten zu können, stehen schon lange alternative Halbleitermaterialien, die sich auch als nanokris­talline oder gar amorphe Schichten einsetzen lassen, im Fokus der Forschung. Ihre Herstellung ist einfacher möglich, etwa mit thermischen Aufdampfverfahren, Kathodenzerstäubung (Sputtern) oder mit nasschemischer Prozessierung aus einer Lösung. Diese Methoden sind kosten­effizient auf große Flächen skalierbar. Darüber hinaus ermöglichen amorphe Dünnschichtmaterialien sowohl semitransparente als auch flexible Bauteile. Die Idee lässt sich im wahrsten Sinne des Wortes weiterspinnen, denn solche Materialien könnten in Stoffe, also Kleidung, integrierbar sein − biokompatible Halbleiter sogar am oder im Körper.

Die vor Jahrzehnten begonnenen Versuche, eine Quantengravitation zu formulieren, stießen zunächst auf große Schwierigkeiten. Dass dies die meisten Physiker in der Vergangenheit nicht sehr bekümmert hat, liegt hauptsächlich an den Größenordnungen der relevanten Längen- und Energieskalen: In natürlichen Einheiten c = ħ = 1 ist die Stärke der Gravitation proportional zum Quadrat der Planck-Länge lp2, die der Newtonschen Gravitationskonstanten entspricht. Die Planck-Länge lp = 1,6 · 10–33 cm ist winzig: Im Vergleich zur Größe eines Atoms ist sie noch kleiner als die Atomgröße bezogen auf den Durchmesser unseres Sonnensystems. Die Stärke der Gravitationseffekte für Elementarteilchen ist durch die dimensionslose Größe lp² k² ~ 2k²/M– ² gegeben, wobei k die charakteristische Impuls- oder Energieskala eines Experiments ist. Die Planck-Masse M– = 2,4 · 10¹⁸ GeV ist in unseren Einheiten proportional zum Kehrwert der Planck-Länge. Selbst bei den höchsten Energien des Large Hadron Colliders (LHC) bleibt die Stärke der Gravitation mit 2k²/M– ² ≈ 10^–28 extrem schwach. (...)

Schon zu Beginn meiner Lehrertätigkeit fiel mir auf, dass die Schülerinnen und Schüler immer wieder Interesse an verschiedenen Fragen zeigten, die nur am Rande mit dem aktuellen Unterrichtsgegenstand zu tun hatten. Sie brachten eine Neugier zum Ausdruck, die ich aufgreifen und fördern wollte. Manchmal waren es Fernsehbeiträge, häufig aber auch Zeitschriftenartikel, die zu solchen Fragen anregten. Nachdem meine Schüler erkannt hatten, dass sie solche Fragen stellen dürfen, kamen sie regelmäßig und bekamen bald einen festen Platz in meiner Stundengestaltung. Davon ausgehend war es nur noch ein kleiner Schritt, besonders interessierten Schülerinnen und Schülern eine Arbeitsgemeinschaft anzubieten, in der sie ihren Fragen intensiver nachgehen konnten (Abb. 1).

Die Neugier war deutlich vom Zeitgeist geprägt und betraf auch Themen aus Elektronik, Computer oder Umweltschutz, die über die Physik hinausgehen. So wurde aus der ursprünglichen Physik-AG nach einiger Zeit eine Jugend-forscht-AG, in der die Schüler Forschungsprojekte der verschiedenen Fachgebiete durchführen konnten. (...)

Wenn es in der modernen Medizintechnik darum geht, Medikamente für Patienten individuell maßzuschneidern, ist eine molekulare Bildgebung gefragt, welche die Verteilung einer verabreichten Substanz im Körper direkt abbilden kann. Denn Organe und Gewebetypen metabolisieren solche Tracer verschieden schnell, sodass deren Verteilung im Körper Aufschluss über biochemische und physiologische Prozesse gibt.

Die Magnetresonanztomographie ist in der Lage, biologisches Gewebe mit hoher räumlicher Auflösung von rund 1 mm abzubilden. Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ermög­licht es, die Verteilung sehr kleiner Konzentrationen radioaktiver Tracer im Körper zu messen – mit einer um viele Größenordnungen höheren Sensitivität verglichen mit MRT. Allerdings ist PET in der räumlichen Auflösung begrenzt, während diese in der MRT den µm-Bereich erreichen kann. Das Signal von Tracern ist in der konventionellen MRT aber sehr schwach. Es entsteht durch die Pola­risierung der Atomkerne, die aus der leicht unterschiedlichen Besetzung (rund 10–4) der im externen Magnetfeld energetisch aufgespaltenen Kernspinzustände resultiert. (...)