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Titelbild

30 Jahre ASDEX Upgrade

Editorial

Die Sonne auf die Erde holen?

• Sibylle Günter

Inhalt: Physik in unserer Zeit 3/2021

Treffpunkt Forschung

Aerosol‐Wolken‐Wechselwirkungen im Klimasystem

Anthropogene Aerosole kühlen unser Klima, insbesondere durch ihre
Wechselwirkungen mit Wolken. Die Kühlwirkung könnte jedoch
schwächer ausfallen als bisher gedacht, weil sie über die Lebensdauer
einer Wolke hinweg abnimmt.

• Fabian Hoffmann
• Franziska Glassmeier

Raum‐Zeit‐Kristall im Video

In den letzten Jahren konnte die Existenz von Raum‐Zeit‐Kristallen bewiesen werden. Diese Experimente waren jedoch auf extrem kleine Quantensysteme bei ultrakalten Temperaturen beschränkt. Nun ist es mit Hilfe eines Rasterröntgenmikroskops an der Synchrotronquelle BESSY II gelungen, eine raum‐zeit‐kristalline Struktur in einem mikrometer‐großen magnetischen Dünnfilm zu generieren und zu filmen.

• Nick Träger
• Joachim Gräfe

Quantensysteme lernen gemeinsames Rechnen

Quantencomputer besitzen heute erst wenige Qubits in einzelnen Aufbauten. Jetzt ist es gelungen, ein Quantengatter zwischen zwei Qubits in sechzig Metern Entfernung zu realisieren: ein Prototyp eines verteilt rechnenden Quantencomputers.

• Severin Daiss
• Gerhard Rempe

Virtuelles Bündel aus Gluonen

Forschern von CERN und Fermilab glückt der Nachweis des lang gesuchten Odderons.

Ein Orakel ohne Tentakel

Die statistische Modellierung der Fußball‐Europameisterschaft sagt Belgien die besten Titelchancen voraus.

• Andreas Heuer

Physics News

Artikel

Open Access

30 Jahre ASDEX Upgrade: Entwicklung der Grundlagen eines Tokamak‐Fusionskraftwerks

• Arne Kallenbach

Der Tokamak ASDEX Upgrade am Max‐Planck‐Institut für Plasmaphysik in Garching ist seit dreißig Jahren in Betrieb. In dieser Zeit wurde die Fusionsanlage immer weiter ausgebaut und verbessert. Inzwischen hat man zahlreiche gut diagnostizierte Szenarien für den Plasmabetrieb erarbeitet. Zusammen mit neu entwickelten Computercodes erlauben sie verlässliche Vorhersagen für ein Fusionskraftwerk.

(Foto: IPP, V. Rohde.)

Von der LED bis zur laserbasierten Lichtquelle: Moderne Lichtquellen für Projektion und Scheinwerfer

• Mathias Brümmer
• Ulrich Hartwig

Projektionsanwendungen stellen wegen der Erhaltungsgrößen der Optik besondere Anforderungen an ihre Lichtquelle. Dies führt dazu, dass selbst moderne Halbleiterlichtquellen der klassischen Lampe hier nur teilweise den Rang ablaufen können. Die stärksten neuen Lichtquellen basieren auf Laserdioden.

Open Access

Einstein wäre doppelt verblüfft: Quantenkorreliertes Licht in Gravitationswellen‐Observatorien

• Roman Schnabel

Quantenkorreliertes Licht offenbart die ganze Eigenart der Quantenphysik. Als völlig neue Hochtechnologie hat es sich nun in Gravitationswellen‐Observatorien erstmals als kostengünstiger im Vergleich zu Alternativen erwiesen.

Open Access

Das hölzerne Gelächter: Zur Physik von Xylophon und Marimba

• Leopold Mathelitsch
• Ivo Verovnik

Ein Spielzeug‐Xylophon ist meist das erste Instrument unserer Kindheit. Xylophone und Marimbas gab es bereits in der Antike. Ihre Klangeigenschaften basieren auf einem interessanten Schwingungsverhalten.

Open Access

Bose‐Einstein‐Kondensat aus Exzitonen? Zweidimensionale und Van‐der‐Waals‐Kristalle

• Ursula Wurstbauer
• Alexander W. Holleitner

Zweidimensionale Kristallsysteme faszinieren, weil sie stark ausgeprägte Vielteilchenphänomene bei den Ladungsträgern zeigen. Das boomende Forschungsgebiet konzentriert sich längst nicht mehr nur auf einlagige Kristallsysteme wie Graphen. Schichtweise aufeinandergestapelt, ermöglichen künstliche Van‐der‐Waals‐Kristalle eine Fülle neuartiger physikalischer Systeme. In halbleitenden Heterostrukturen gelang es uns nun, erste Hinweise für ein optisch generiertes Bose‐Einstein‐Kondensat von Exzitonen zu finden.

Vortrieb ohne Schraube: Magneto‐hydrodynamischer Bootsantrieb

• Hans Joachim Schlichting
• Jan Schlichting

Ein Bootsantrieb, der ohne lärmende Schraube auskommt? Der magneto‐hydrodynamische Antrieb macht es möglich.

Magazin

Radioaktive Emission von Protonen: Vor 50 Jahren

• Sigurd Hofmann

Physik Schwarzer Löcher mit Trapped in Gravity: Smarte Physik

• Sebastian Becker
• Jochen Kuhn
• Thomas Wilhelm

Geheimnisvolle Farben im Fenster: Im Blickwinkel

• Hans Joachim Schlichting

Bücher

Max von Laue – Furchtlos und treu: Eine Biographie des Nobelpreisträgers für Physik

• Michael Schaaf

Biophysik der Ernährung – Eine Einführung

• Gert Heinrich

Historisches Rätsel

Data Scientist und Grobmotoriker: Historisches Rätsel

• Andreas Loos

Treffpunkt TV

Max Brod – Tycho Brahes Weg zu Gott: Physik & Literatur

• Aura Heydenreich

Vorschau auf Heft 4/2021

Nanostrukturen sind in modernen Materialien und Werkstoffen allgegenwärtig. Sie bestehen aus ein bis hundert Nanometer großen Bausteinen, die sich gezielt funktionalisieren lassen und es damit erlauben, durch Selbstorganisation hochkomplexe Strukturen mit sehr flexiblen Materialeigenschaften aufzubauen. Eine detaillierte Charakterisierung von Struktur und Eigenschaften der Nanobausteine ist wichtig, um prädiktive Modelle für die gezielte Herstellung von Materialien mit besonderen Merkmalen zu entwickeln, zum Beispiel in den Bereichen druckbare Elektronik, Katalysatordesign, organische Solarzellen oder moderne Arzneimittel. Beispielsweise ließ sich aus der Struktur einfacher Nanotröpfchen des Co-Enzyms Q10 lernen, wie sich organische Nanodispersionen im Allgemeinen entwickeln. Q10 kommt in jeder Zelle des menschlichen Körpers vor und steckt beispielsweise in Nahrungsergänzungsmitteln.

Je kleiner die Nanopartikel, umso größer ihr Verhältnis von Oberfläche zu Volumen – daher kommen Nanopartikel aus Gold, Platin oder Palladium und hochporöse Materialien wie Zeolithe, Aktivkohle oder nanoporöse Metalle in der chemischen Katalyse häufig zum Einsatz [1]. Die Bioverfügbarkeit und Löslichkeit hydrophober Arzneistoffe vergrößert sich durch ihre Anwendung in nanodisperser Form signifikant [2]. Bei halbleitenden Nanopartikeln („quantum dots“) wie CdS und ZnO nimmt die Bandlücke mit abnehmender Teilchengröße zu [3]. Die Absorption von Licht hängt für metallische Nanopartikel aufgrund von Oberflächenplasmonen-Resonanzen stark von der Größe und Form ab. Flüssige Dispersionen von Gold-, Silber- oder Aluminiumpartikeln gibt es daher in allen Farben des sichtbaren Spektrums [4, 5]. (...)

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...

Je weiter man in der Menschheitsgeschichte zurückgeht, umso rarer werden materielle Spuren und Hinterlassenschaften und umso zahlreicher die Fragen. Zu den ältesten Kunstwerken zählen die paläolithischen Felsmalereien der weltberühmten Höhle von Lascaux. Doch womit genau malten und zeichneten die frühen Menschen? Was verraten die verwendeten Materialien über ihre Kultur? Die Wissenschaft, die solche auf den ersten Blick unsichtbaren Aspekte sichtbar macht, heißt Archäometrie. Ihre Methoden u. a. aus Physik und Chemie kommen mehr und mehr zum Einsatz, um Kunstwerke und Kulturgüter zu erforschen, sie zu datieren oder auf ihre Authentizität zu prüfen, die verwendeten Materialien genau zu bestimmen oder Erkenntnise über Herstellungstechniken oder den Gebrauch von Objekten zu gewinnen. Ist die Herkunft der verwendeten Rohmaterialien bekannt, können Historiker daraus Rückschlüsse auf vorhandene Handels­beziehungen ziehen.

Die naturwissenschaftliche Untersuchung von Kunstwerken und Kulturgütern begann Anfang des 19. Jahrhunderts mit der Pigmentanalyse. Der deutsche Chemiker Friedrich Rathgen gründete 1888 mit dem „Chemischen Laboratorium der königlichen Museen zu Berlin“ das erste eigenständige Museumslabor. Die sich daraus entwickelnde Disziplin führte zu Untersuchungen einer großen Anzahl an Kunstobjekten mit den zur jeweiligen Zeit verfügbaren Analyseverfahren.

Besonders Ende der 1960er- und Anfang der 1970er-Jahre öffneten weltweit chemisch-physikalische Museumslabore.
Die Palette der Methoden erweiterte sich in den letzten Jahrzehnten rasch: So dienen die Verhältnisse von bestimmten Elementen oder Isotopen, spezifische Ein­schlüsse und Phasen oder morphologische Charakteristiken auf der Mikro- oder sogar Nano­-Ebene dazu, Aussagen zu treffen, die rein kunsthistorischen oder archäologischen Betrachtungsweisen unzugänglich sind. Entscheidend ist, dass die Analysemethoden schneller und empfindlicher geworden sind. Meist genügen geringe Probenmengen. Doch der wertvolle Charakter vieler Kunstwerke verbietet oft sogar eine Probenentnahme, sodass Forscher nichtinvasive Verfahren einsetzen oder entwickeln müssen. ...