Physik Journal 1 / 2017

Ein Blick in die deutsche Hochschulstatistik zeigt ein differenziertes Bild zur Personalstruktur: Tatsächlich erreichte die Zahl der im akademischen Bereich Beschäftigten 2014 einen neuen Höchststand.1) Mit 64 Prozent den deutlichsten Anstieg gab es im vorangegangenen Jahrzehnt bei den wissenschaftlichen und künstlerischen Mitarbeitern mit zeitlich befristeten Verträgen. Sie machten 2014 mit knapp 75 000 Personen über die Hälfte des wissen­schaftlichen Personals an Hochschulen aus. Bei ihnen handelt es sich überwiegend um Doktoranden und Postdoktoranden (Post-Docs), also um Mitarbeiter, die noch nicht auf der höchsten Sprosse ihrer Karriere­leiter angekommen sind. Diese Gruppe wächst überproportional, wodurch die Chancen auf eine Professur sinken. Trotz der rund 700 Professorenstellen, die jährlich neu eingerichtet werden, wechseln immer mehr hochgebildete Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von einer befristeten Stelle zur nächsten und finden sich nach Jahren der Unsicherheit auf einem Arbeitsmarkt wieder, für den sie oft überqualifiziert oder mit 35 bis 45 Jahren schlicht zu alt sind.

Indes steigt der Bedarf der Wirt­schaft an Forschern im Vergleich zum Hochschul- oder Staatssektor langsamer [1]. Der Bundesbericht „Wissenschaftlicher Nachwuchs 2013“ zeigte zudem, dass in der Wirtschaft acht von zehn Forschern im verarbeitenden Gewerbe beschäftigt sind, darunter häufig in den Bereichen Kraftfahrzeuge, Elektronik, Optik oder Maschinenbau [2]. Doch was wird aus den Übrigen? Was bringt ihnen der Doktortitel? Verglichen mit nicht-promovierten Hochschulabsolventen ihrer Altersgruppe sinkt die Chance auf eine unbefristete Stelle ebenso wie auf eine Leitungsfunk­tion in der Privatwirtschaft [2]. ...

Zwei grundsätzlich unterschiedliche Ansätze erlauben es, die Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik zu überprüfen und mögliche Abweichungen zu entdecken: Experimente bei hohen Energien und hoher Luminosität und – im Gegensatz dazu – Experimente bei niedrigsten Energien und höchster Präzision. Beide Ansätze basieren auf der Struktur relativistischer Quantenfeldtheorien: Jede fundamentale Wechselwirkung, ob bereits im Standardmodell enthalten oder nicht, entsteht durch den Austausch von Wechselwirkungsquanten, die mit effektiven Konstanten an die Interaktionspartner koppeln. Der Hochenergieansatz nutzt die direkte Produktion und den Nachweis dieser Austauschquanten. Die Philosophie des Niedrig­energieansatzes besteht darin, innerhalb des Standardmodells extrem genau verstandene Systeme mit höchster Präzision zu vermessen. Abweichungen der experimentellen Resultate von den Vorhersagen des Standardmodells ließen sich bisher nicht direkt entdeckten Quantenfeldern und ihren Austauschquanten zuschreiben, wobei die Stärke der Kopplung zu bestimmen ist. Während der Hoch­energieansatz klare Fakten liefert, arbeitet der Niedrig­energieansatz indirekt. Aber je nach Kopplung ist er potenziell empfindlicher auf Austauschquanten mit Ruhemassen, die weit oberhalb der Energieskalen liegen, die heutige Beschleuniger erreichen, sodass beide Ansätze komplementär sind. 

In den letzten Jahren stellten sich Experimente an einzelnen gespeicherten geladenen Teilchen als besonders attraktiv heraus, um den Niedrigenergieansatz zu verfolgen: Fundamentalkonstanten wie die Elektronenmasse me und die Feinstrukturkonstante αem werden ermittelt, und die CPT-Invarianz lässt sich durch den Vergleich der Eigenschaften von Teilchen und Anti­teilchen testen. Wie exakt dafür die Massen der Teilchen zu bestimmen sind, hängt von den Frage­stellungen aus Kern-, Atom-, Astro-, Neutrino- und Teilchenphysik ab. Die Genauigkeiten reichen von δm/m ≈ 10^–7 für Radionuklide und das Überprüfen von Kernmodellen bis hin zu 10^–11 und besser zur Bestimmung von Fundamentalkonstanten. ...

Ob im Laserdrucker, Blu-ray-Player oder als Element in der Glasfaserkommunikation: Halbleiterlichtquellen auf Basis von Heterostrukturen haben längst Einzug in unseren Alltag gehalten. Die weitreichende Bedeutung dieser Bauteile für die moderne Optoelektronik lässt sich auch an den Nobelpreisen ablesen, die es für Entwicklungen in diesem Bereich gab: Zhores Ivanovich Alferov und Herbert Krömer haben ihn für ihre bahnbrechenden Arbeiten zu Halbleiterheterostrukturen erhalten, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura für die Entwicklung blauer Leuchtdioden.

ie Anforderungen an moderne Halbleiterlichtquellen sind vielfältig: Schnell modulierbar sollen sie sein, wenig Energie verbrauchen und möglichst klein sein, ein gutes Strahlprofil und gute Kohärenzeigenschaften aufweisen. Im Idealfall sollten sich viele Bauelemente parallel auf einem Wafer prozessieren und testen lassen, um Geld zu sparen. Speziell so genannte VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) mit Quantenpunkten als aktivem Medium eignen sich als oberflächenemittierende Laserdioden hervorragend für praktische Anwendungen [1]. In der Tat geht bei solchen Laserdioden geringer Energieverbrauch mit einer miniaturisierten Bauweise einher. Mittlerweile sind hocheffiziente Halbleiterdioden eine Größenordnung dünner als ein menschliches Haar.

Das Design einer optimalen Laserstruktur ist aller­dings ein Balanceakt. Neben offensichtlichen Eigenschaften wie der Laserwellenlänge müssen auch Energieverbrauch, Strahlprofil und Kohärenzeigenschaften zum jeweiligen Verwendungszweck passen. Für ein möglichst effizientes Design wird ein Laser oft knapp über der Laserschwelle betrieben. Die Effizienz lässt sich mit Hilfe einer einfachen Kenngröße, dem so genannten β-Faktor, quantifizieren. Er gibt an, wie groß unterhalb der Laserschwelle die spontane Emission in die Lasermode im Vergleich zur Summe aller Rekombinationsmöglichkeiten ist [2], also welcher Teil der erzeugten Anregungen tatsächlich zum Start des Laservorgangs beiträgt. Für den schwellenlosen Laser gilt: β = 1. ...