Physik Journal 9 / 2020

The year 1676 was very important for humanity, be­cause Antoni van Leeuwenhoek discovered the empire of bacteria. He called these small creatures animalcula (small animals). His discovery was a milestone in our civilization for at least two reasons: He discovered creatures invisible to us which have been killing humans for thousands of years, often responsible for millions of deaths in one year. While Antoni van Leeuwenhoek did not know that bacteria could be dangerous for humans, his followers like Louis Pasteur, Robert Koch and other „microbe hunters“ realized the danger coming from these tiny creatures and also developed weapons against this empire [1].

Van Leeuwenhoek was the first human who looked at short distance scales invisible to us and discovered thereby a new underground world. At that time, researchers looked mainly at large distances, discovering new planets and find­ing laws, such as the Kepler laws which Isaac Newton was able to derive from his mechanics. (...)

Das Zeitalter der Informationsgesellschaft ab Mitte des 19. Jahrhunderts begann mit der Entwicklung siliziumbasierter Verbindungen und Technologien. Die Herstellung inte­grierter elektronischer Schaltkreise (Si-ICs) begann vor etwa 60 Jahren. Zu ihren ersten kommer­ziellen Anwendungen gehörten Hörgeräte. Heute sind siliziumbasierte integrierte Schaltkreise Bestandteil fast aller Alltagsgegenstände und Grundlage der Informationsgesellschaft.

Verfahren wie Mole­kularstrahlepitaxie (MBE) oder Gasphasenepitaxie (MOCVD) zur Herstellung von Materialien, deren Ausdehnung in allen drei Raumdimen­sionen nur wenige Nano­meter beträgt, also von „null­dimensionalen“ Quantenpunkten, und deren Einbettung in andere Materia­lien, eröffnen heute völlig neue Möglichkeiten, quanten­mechanische Effekte einzusetzen. Ziel dabei ist es, elektronische und damit auch optische und elektrische Eigenschaften komplexer Strukturen gezielt zu ändern [1]. Diese Eigenschaften hängen von der Form und Größe der Quantenpunkte ab. Deren Ausdehnung in allen drei Raumrichtungen sollte unter der De-Broglie-Wellenlänge der Ladungsträger liegen, damit die Quantenmechanik dominiert. Quantenpunkte ermöglichen neuartige elektronische und photonische Bauelemente. (...)

Seit den Anfängen der modernen Physik spielte die Atomphysik eine wichtige Rolle für unser heutiges Wissen über den Atomkern. Anfangs lieferten insbesondere die Massenspektrometrie, die Atomstrahl-Magnet­resonanz und die optische Spektroskopie Informationen über die statischen Eigenschaften stabiler Kerne, also über deren Masse, Größe, Form, Momente und Drehimpuls. Während die Masse durch die Ablenkung von Ionenstrahlen in elektrischen und magnetischen Feldern gemessen wurde, ließen sich der Kernspin und das magnetische Moment durch die Ablenkung von Atomstrahlen in Magnetfeldgradienten wie beim Stern-Gerlach-Effekt oder auch mithilfe der Hoch­frequenz-Spektroskopie aus der Hyperfeinstruktur der atomaren Niveaus bestimmen. Informationen über die Größe und Form der Kerne lieferte die optische Spektroskopie. Sie erlaubte es, die Isotopenverschiebung und die Hyperfeinstruktur der Spektrallinien zu untersuchen. Diese Daten sind modellunabhängig und stellen somit Fixpunkte auf der Nuklidkarte dar, um Kernmodelle zu entwickeln oder die starke Wechselwirkung zu testen.

Nur allmählich gelang es, diese Techniken auf radio­aktive Kerne anzuwenden, um deren Grundzustands­eigenschaften zu bestimmen: Sehr früh war es möglich, die Massen eines radioaktiven Tochterisotops mithilfe der Beziehung E = mc² relativ zum Mutterkern zu messen, indem die Energiebilanz ihrer Zerfälle untersucht wurde. Dafür gilt es, beim Betazerfall das kontinuierliche Energie­spektrum der β-Teilchen in Koinzidenz mit der entstehenden γ-Kaskade aufzunehmen, den Endpunkt des β-Spektrums zu bestimmen oder beim α-Zerfall die Energien der α-Teilchen bzw. bei Kernreaktionen den ­Energieübertrag zu messen. (...)

The nature and properties of Dark Matter are largely unknown: proposed candidates span tens of orders of magnitude in mass, ranging from elementary particles infinitesimally lighter than electrons to massive primordial black holes [1]. One of the most compelling candidates is a new class of subatomic particles: weakly interacting massive particles (WIMPs). WIMPs represent the current paradigm for searches for Dark Matter particles. They are up to a hundred times heavier than protons and only interact weakly with ordinary particles. Presumably, they were produced in the early universe.

To understand Dark Matter is a multi-disciplinary effort involving different and complementary experimental techniques. Direct searches rely on the distribution of Dark Matter in the Milky Way exposing the Earth to a constant high flux of Dark Matter particles. Direct detection experiments aim to detect their elastic scattering off nuclei in specialised low background detectors. Indirect searches are based on the annihilations or decays of Dark Matter particles in astrophysical systems. Various ground and space-based specialised instruments monitor the frequency of such events. Collisions in high-energy particle accelerators like the Large Hadron Collider (LHC) might create particles which were present in the early universe. (...)

Materie besteht aus Atomen, die zu Molekülen und Festkörpern zusammengefügt sind. Tatsächlich ist es häufig energetisch günstiger, dass die Atome starke Bindungen untereinander bilden. Hierbei nutzen die Atome Elektronen gemeinsam und können dadurch eine stabilere elektronische Konfiguration erreichen. Dies ist über die Quantennatur der Elektronen zu  verstehen: In der Quantenmechanik wird die räumliche Verteilung der Elektronen um die Kerne in Form von Wahrscheinlichkeitsverteilungen, gegeben durch die Wellenfunktionen, beschrieben. Sie drücken außerdem die Wellennatur der Elektronen aus. Ein Orbital ist durch einen Satz von drei Quantenzahlen (n, l, m) definiert, wobei zwei davon dem Drehimpuls und der Vektorkomponente des Drehimpulses des Elektrons entsprechen. Jedes Orbital kann maximal zwei Elektronen enthalten. Je nach Drehimpuls-Quantenzahl l = 0, 1, 2 und 3 bezeichnet man die Orbitale mit s, p, d und f. Bei zwei oder mehr Atomen können molekulare Zustände aus einer Kombination von Atomorbitalen entstehen.

Beim Wasserstoffmolekül werden ausgehend von zwei isolierten Wasserstoffatomen die atomaren s-Orbitale zu zwei Molekülorbitalen zusammengefügt – dem bindenden und antibindenden Zustand (Abb. 1a). Der Bindende resultiert aus einer konstruktiven Überlagerung zwischen den beiden atomaren Wellenfunktionen, die eine Akkumulation der Elektronendichte zwischen den beiden Kernen verur­sacht. Dies führt zu einem Energiegewinn, der die Bildung einer Bindung bewirkt. (...)

Confining light into a small volume enhances the interaction of light and matter. Versatile applications range from imaging and spectroscopy to optoelectronic devices and photocatalysis. With conventional optics, the spatial confinement of light is limited to a few hundred nanometers due to the diffraction limit. To realize a further confinement and to turn on “nanolight”, metallic nanostructures can generate localized electromagnetic fields at the nanoscale through collective electron oscillations, so-called surface plasmons [1]. If a localized surface plasmon resonance efficiently couples to propagating light, the electromagnetic fields are confined to a sub-wavelength scale.

The advancement of highly precise fabrication techniques of metallic nanostructures has fueled the rapid growth of plasmonics and nanophotonics in the last few decades [2]. Plasmonic nanogaps formed between metallic nanoparticles are of particular interest to fundamental physics and applications because of an extreme field enhancement (Fig. 1a). They enable single-molecule detection as well as an enhancement of photophysical and photochemical processes by orders of magnitude. (...)

Bereits die Neandertaler verwendeten Hämatit (α-Fe₂O₃) in einer Mischung mit Ton in Form von rotem Ocker (Rötel) als Pigment. Die tiefrote Färbung gab dem eisenhaltigen Mineral Hämatit – auch Blutstein genannt – seinen Namen. Hämatit kristallisiert in der Korundstruktur, es ist also ebenso wie Korund (α-Al₂O₃) im trigonalen Kristallsystem aufgebaut, das durch eine hexagonale Elementarzelle beschreibbar ist. Neben Magnetit ist Hämatit das wichtigste Eisenerz. Hämatit ist anti­ferromagnetisch. Oberhalb der sog. Néel-Temperatur von 960 K wird es paramagnetisch. Darunter weist Hämatit einen schwachen Ferromagnetismus auf, da seine magnetischen Momente leicht verkippt sind. Dieser schwache Ferromagnetismus geht unterhalb der Morin-Temperatur von 260 K verloren. Die hohe spezifische Oberfläche von Hämatit-Nanokristallen sowie die Korrosionsbeständigkeit bieten Vorteile für technologische Anwendungen. Zudem ist Hämatit kostengünstig und nicht giftig.

Vor allem in der Katalyse, der licht­induzierten Spaltung von Wasser, als chemischer oder magnetischer Sensor und als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien kommt Hämatit infrage [1, 2]. In einer aktuellen Arbeit wurden kristalline Hämatit-Oberflächen mit verschiedenen Millerschen Indizes mittels Hartree-Fock-Methode und einer a-posteriori-Berechnung der Korrelationsenergie simuliert. Die Millerschen Indizes geben die Orientierung einer Oberfläche im Kristallgitter an. (...)

Sommersemester, Beginn der Vorlesungszeit: Nach der kurzen Pause im Frühjahr tummeln sich die Studierenden wieder auf dem Campus, die Hörsäle sind gut besetzt. Doch in diesem Jahr war alles anders – Stille herrschte auf den Gängen; die Corona-Pandemie hatte auch die Universitäten erreicht. Das Sommersemester hat zwar stattgefunden, aber weitgehend ohne Präsenzveranstaltungen. Anfang April beschloss die Kultusministerkonferenz nach längeren Diskussionen während des Lockdowns ein „digitales Semester“.

So schnell der Beschluss gefasst war, so schwierig ließ er sich in der Kürze der Zeit in die Praxis umsetzen. Viele Lehrende stellten zwar auch schon vorher Materialien zu Vorlesungen und Übungen online zur Verfügung. In den Natur­wissenschaften gibt es zu den meisten Veranstaltungen Internetseiten, die sich im Laufe des Semesters dynamisch entwickeln und zum Ende hin ein buntes Potpourri an Unterlagen, Hyperlinks und Literaturempfehlungen enthalten. Besonders in den Grundvorlesungen bietet es sich angesichts der höheren Teilnehmerzahlen an, die Übungsaufgaben auf elektronischen Plattformen bereitzustellen. Längst erlauben es einige Angebote, den Lösungsweg abzufragen und per individualisiertem Zugang die Leistung zu bewerten. (...)

Dieses Jahr muss der herzliche Dank an die Kolleginnen und Kollegen aus den 59 Physik-Fach­bereichen, welche die Daten für diese Statistik eingepflegt haben, am Anfang stehen! Schon in normalen Zeiten ist diese Aufgabe mit großem Aufwand verbunden. Dieses Mal sorgte die Covid-19-Pandemie für zusätzlich erschwerte Bedingungen: Die Fachbereiche waren durch die Umstellung der Lehre auf einen Onlinebetrieb mehr als ausgelastet, zudem war es vielerorts nicht ohne Weiteres möglich, von den Heimarbeitsplätzen auf statistische Daten der Universitätsverwaltungen zuzugreifen. Dennoch ist es erneut gelungen, für die Fachstudiengänge einen nahezu vollständigen Datensatz zu erheben. Für die Lehramts­studiengänge weisen die Daten allerdings wie in den Vorjahren Lücken auf.

Die Zahlen spiegeln die Corona-Situation noch nicht wider. Die Pandemie scheint nicht von der Aufnahme eines Physikstudiums im Sommer abgehalten zu haben, und auch die ersten Absolventenzahlen des Jahres zeigen keinen klaren Corona-Effekt. Trotz der Pandemiebeschränkungen ist es beeindruckend gelungen, die Qualität und Attraktivität des Physikstudiums konstant hoch zu halten. (...)