Physik Journal 1 / 2016

Wie haben Sie Dirk Nowitzki eigentlich entdeckt?

Ich habe damals in der Altherrenmannschaft ge­spielt. Vor uns hat die Jugend trainiert, und da war ein langer dünner Junge dabei, der witzigerweise schon alles gemacht hat, was ein guter Basketballspieler können muss. Aber ihm fehlte noch die richtige Technik. Nach dem Spiel habe ich ihm angeboten, ihm dieses Handwerkszeug beizubringen. So hat alles angefangen.

Gelernt haben Sie aber etwas anderes...

Genau. Ich habe Mathematik und Physik studiert.

Wie kamen Sie auf diese Fächer?

Mir sind Mathe und Physik in der Schule sehr leicht gefallen. An der Tafel konnte ich immer schnell eine Lösung aus der Hosentasche zaubern. Ich war ein fauler Schüler und mehr auf den Sport konzentriert, da kamen mir Fächer gelegen, in denen es ums Verstehen ging, nicht ums Auswendiglernen. Rückblickend war das dumm, ich hätte viel weiter kommen können, wenn ich mich nur richtig reingekniet hätte.

Parallel zum Studium haben Sie intensiv Basketball gespielt...

In Deutschland war Basketball zu der Zeit reiner Studentensport, den wir aus Spaß betrieben haben. Andere Spieler sind Lehrer geworden, Mediziner oder Zahnärzte. In unserer Generation war von vornherein klar, dass man seinen Lebens­unterhalt nicht mit dem Balldribbeln verdienen kann. ...

Um Struktur und Eigenschaften von Materie im weitesten Sinne zu untersuchen, sind geeignete Sonden nötig: Das können elektromagnetische Wellen bzw. Photonen sein, vom niederfrequenten, langwelligen Terahertz-Bereich bis zu kurzwelligen Röntgenquanten, aber auch Teilchen wie Neutronen oder Positronen. Je nach Größe der relevanten Strukturen und Natur der gesuchten Eigen­schaften eignet sich die eine Sonde besser als die andere. Mit den beschleunigten Elektronenpaketen bei ELBE lässt sich eine breite Palette an Sekundärstrahlen erzeugen, um damit z. B. kondensierte Materie zu untersuchen [1] (Abb. 1). Besondere Merkmale von ELBE sind die supraleitenden Beschleuniger­strukturen, die sehr hohe Ströme und damit sehr hohe Teilchenflüsse ermöglichen – unabhängig davon, ob es sich um Photonen, Positronen oder Neutronen handelt. All dies macht den Beschleuniger ELBE weltweit einzigartig und vereint zugleich unterschiedliche Wissenschaftsgebiete mit erheblichen Synergieeffekten.

Mit supraleitenden Hochfrequenzresonatoren lassen sich hohe elektrische Felder von rund 30 MV/m im kontinuierlichen Betrieb erzeugen. Solche Resonatoren, ursprünglich an DESY für das Elektronen-Posi­tronen-Colliderprojekt TESLA entwickelt, kommen an ELBE zum Einsatz. Die Resonanzfrequenz von 1,3 GHz sorgt für eine extrem hohe Güte von über 1010. Ein solcher Resonator arbeitet nahezu verlustfrei und ist in der Lage, ohne nennenswerten Wärmeeintrag in das Resonatormaterial dauerhaft ein hohes Feld zu erzeugen und Elektronenpakete kontinuierlich zu beschleunigen. Diese Betriebsweise heißt „quasi-continuous wave-mode“ (cw). ...

Im Jahr 1911 beobachtete Heike Kamerlingh Onnes, dass der Widerstand von Quecksilber unterhalb der Sprungtemperatur von T_c = 4,2 K verschwindet, und entdeckte damit das Phänomen der Supraleitung. Um Supraleitung zu verstehen, ist allerdings der damit verknüpfte, perfekte Diamagnetismus wichtiger. Zwanzig Jahre später gelang es Walther Meißner und Robert Ochsenfeld, dieses Phänomen nachzuweisen, das zum Meißner-Ochsenfeld-Effekt führt: Magnetfelder dringen nur exponentiell gedämpft in den Supraleiter ein, falls seine Temperatur unterhalb von Tc liegt. Die klassische London-Theorie beschreibt beide Phänomene. Manche Experimente sind aber nur mittels quantenmechanischer Modelle zu erklären.
Die Theorie von Bardeen, Cooper und Schrieffer erklärte 1957 alle Beobachtungen, die bis dahin an Supraleitern vorlagen. Der Meißner-Ochsenfeld-Effekt beruht demnach auf einem neuen Quantenzustand, bei dem alle Elektronen die gleiche Energie und den gleichen Wellenvektor besitzen. Aufgrund des Pauli-Prinzips ist dies nur für Bosonen möglich, sodass sich jeweils zwei Elektronen zu Cooper-Paaren zusammenschließen müssen. Die BCS-Theorie sagt voraus, dass sich in der Zustandsdichte unterhalb Tc eine Ener-gielücke bildet, die gerade dem Doppelten des Ordnungsparameters der Supraleitung entspricht (Abb. 1): Anregungen im Intervall [–, ] sind „verboten“. Um Elektronen im Supraleiter anzuregen, muss man diese Energielücke überwinden, die für einen BCS-Supraleiter 2 = 3,53 kBTc beträgt. Bei einem Supraleiter mit T_c = 12 K ist dies mit elektromagnetischer Strahlung der Frequenz 1 THz bzw. der Wellenzahl 30 cm^–1 möglich. Daher eignet sich die Terahertz-Spektroskopie dazu, die Dynamik der Elektronen im Supraleiter zu untersuchen. ...