Dieses Beugungsbild eines Nanokristalls des Proteins Photosystem I entstand aus über 15 000 Röntgen-Schnappschüssen. (vgl. S. 16, Bild: T. White, DESY)
Physik Journal 4 / 2011
Meinung
Inhaltsverzeichnis
Aktuell
• 4/2011 • Seite 12
USA
Pläne für Planetenmissionen Unterrepräsentierte Frauen Helium-3-Krise abgewendet Mehr Physikstudenten Ungewisser Forschungshaushalt
High-Tech
Im Brennpunkt
• 4/2011 • Seite 16Röntgenblitzlicht für komplexe Moleküle
Freie-Elektronen-Laser liefern Schnappschüsse von Proteinkristallen und Viren.
• 4/2011 • Seite 18Verdrehtes Licht von rotierenden Schwarzen Löchern
Die direkte Beobachtung der Massemonster rückt in greifbare Nähe.
• 4/2011 • Seite 20In die Tiefe geschaut
Der Fingerabdruck eines Vielteilchensystems reicht bis zur Oberfläche eines Kristalls.
Überblick
• 4/2011 • Seite 27Scharfer Blick auf Nanopartikel
Die optische Fernfeldmikroskopie jenseits des Beugungslimits ermöglicht neue Einblicke in biologische Vorgänge auf der Nanoskala.
Nanopartikel finden sich in immer mehr technischen Prozessen und Produkten. Inwieweit nanometergroße Teilchen in die Zelle eindringen können und wie sie dort wirken, ist von großem Interesse, sowohl für nützliche Anwendungen wie neuartige Medikamente als auch in Bezug auf schädliche Auswirkungen, etwa durch Nanopartikel in Alltagsprodukten. Für gründliche Analysen auf den Längenskalen biologischer Wechselwirkungen ist es nötig, die Beugung als auflösungsbegrenzenden Effekt in der optischen Fernfeldmikroskopie zu überwinden.
Viele Vorgänge in Zellen laufen auf der Nanometerskala ab, etwa wenn Substanzen ins Zell-innere gelangen und dort weitertransportiert werden. Auch beim Stoffwechsel innerhalb der Zellen sind Komponenten beteiligt, deren Größe zumindest in einer Dimension im Nanometerbereich liegt. Dazu gehören zahlreiche Proteine (Durchmesser 3 bis 20 nm) oder die Erbsubstanz DNA (2 nm). Biologische Membranen, die als äußere Begrenzung der Zelle dienen, sind nur 5 nm dick, die Fasern des Zytoskeletts zwischen 7 und 25 nm. Der Durchmesser intrazellulärer Membranbläschen liegt bei rund 100 nm. ...
• 4/2011 • Seite 35Pfade, Phasen, Fluktuationen
Korrelationen zwischen chaotischen Bahnen liefern den Schlüssel zum Verständnis universeller Quantenfluktuationen.
Warum weisen die Spektren von Quantensystemen universelle Fluktuationen auf, wenn chaotische Dynamik das korrespondierende klassische System regiert? Eine überraschende Einsicht in klassisches Hamiltonsches Chaos ermöglicht es, diese Grundfrage der Quantenchaos-Forschung zu beantworten: Chaotische Bahnen verhalten sich nicht individuell, sondern treten gebündelt auf. Derartige Korrelationen erklären nicht nur die Statistik von Energieniveaus, sondern auch interferenzbedingte mesoskopische Fluktuationen wie im Ladungstransport durch Nanostrukturen und in normal-/supraleitenden Hybridstrukturen.
Während die Quantenmechanik zweifellos den Schlüssel zur mikroskopischen Welt der Elementarteilchen, Atome und Moleküle liefert, erklärt die klassische Mechanik zumeist adäquat Vorgänge in der makroskopischen Welt. Diese beiden Theoriegebäude erscheinen, auch im Physikstudium, weitgehend getrennt. Häufig treten aber gerade an Schnittstellen zwischen Disziplinen interessante Phänomene zutage, deren Verständnis neuartige Konzepte verlangt. So lassen sich in der klassischen Mechanik zwei Klassen dynamischer Systeme klar unterscheiden: die reguläre Bewegung integrabler Systeme, z. B. die rosettenartigen Bahnen des sphärischen Pendels, und die chaotische Bewegung nichtintegrabler Systeme, wie die chaotischen Trajektorien eines Doppelpendels. Offenbaren sich nun beim Übergang von der Makro- zur Mikrowelt noch Spuren der jeweiligen klassischen Dynamik im dazu korrespondierenden Quantensystem? Wie äußert sich dabei die Balance zwischen klassischem Chaos und den stärkeren Ordnungsprinzipien der Quantenmechanik, in der die Unschärferelation die Auflösung beliebig feinskaliger „Phasenraumstrukturen“ verbietet? Dieser Frage widmet sich der häufig etwas salopp mit „Quantenchaos“ umschriebene Bereich der Theoretischen Physik, den Experimente, etwa aus der mesoskopischen Physik, gezielt flankieren. ...
