Physik Journal 9 / 2017

In der Konferenz der Fachbereiche Physik (KFP) sind die 59 universitären Fachbereiche vertreten, die in Deutschland Physikstudiengänge anbieten. Alle diese Fachbereiche haben Daten zu dieser Statistik beigetragen. Bei den Fachstudiengängen sind die Daten nahezu vollständig. Dagegen bestehen bei den Lehramtsstudien­gängen wie stets Unsicherheiten und Lücken, da die Fachbereiche die Daten oft nicht selbst erheben können.

Immatrikulationen

 

15 731 Personen haben sich im Wintersemester 2016/17 und im Sommersemester 2017 neu in einen grundständigen Physikstudiengang eingeschrieben, 11 934 davon in einen Bachelorstudiengang Physik, 1239 in einen Bachelorstudiengang mit Schwerpunkt Physik, 2546 in einen Lehramts-Studiengang (Bachelor oder Staatsexamen) und 12 in den einzigen verbliebenen Diplom-Studiengang (Tab. und Abb. 1). Damit scheint der seit 2009 anhaltende Anstieg der Neu-Immatrikulationen endgültig gestoppt, allerdings verharrt die Zahl der Neueinschreibungen auf einem hohen Niveau. Gleichzeitig wissen wir, dass zumindest seit 2012 diese Zahl massiv durch „Parkstudierende“ verfälscht ist...

Nach einem streng vorgegebenen Zeitplan (Tabelle) führt der Schüler ein Video des Experiments vor, diskutiert, wie die Lebensdauer des Tropfens von der Temperatur abhängt, modelliert die schwingende Tropfenoberfläche mithilfe von Bessel-Funktionen und führt aus, dass Kapillarwellen um den Tropfen laufen. Anschließend ist Auguste an der Reihe: Sie zeigt sich wenig beeindruckt und kritisiert redegewandt unteranderem das Fehlen einer sys­tematischen quantitativen Analyse der Parameter. Als ihre Zeit verstrichen ist, tritt ein Schüler aus Korea als „Reviewer“ nach vorne, um aus seiner Sicht die Leistungen beider Teamvertreter zu bewerten. Dies alles geschieht vor den Augen einer internationalen Jury aus Wissenschaftlern, Lehrern und ehemaligen Teilnehmern, die für jedes Team Punkte zwischen 1 und 10 verteilt. Weißrussland erhält diesmal 5 Punkte, Korea 5,8 und Deutschland 6. Nach kurzer Pause tauschen die Teams ihre Rollen, und die nächste rund einstündige „Stage“ beginnt. Jeder Fight besteht aus drei Runden – verteilt auf vier Tage tritt jedes Team fünfmal an.

Augustes Weg nach Singapur und der ihrer vier männlichen Teamkollegen begann im Juli 2016 mit der Veröffentlichung der Aufgaben. Über 180 Schülerinnen und Schüler in Deutschland haben eine Aufgabe ihrer Wahl bearbeitet, meist betreut an Schulen oder Schülerforschungszentren, einige aber auch auf eigene Faust. Sie alle eint der Spaß an der Physik und an der Herausforderung, die diese Aufgaben bieten. Hinzu kommt der Wunsch, am IYPT teilnehmen zu dürfen. „Mich begeistert die Möglichkeit, mich tief in ein Problem einzuarbeiten und das Ergebnis der intensiven Vorbereitung im Rahmen eines so spannenden und fordernden Wettbewerbs zu präsentieren“, sagt Auguste: „Physics Fights sind pures Adrenalin.“ Ihrem Teamkollegen Raymond Mason (16) aus München gefällt besonders die Tatsache, dass er seine Erfahrungen aus englischen Debattierclubs mit seinem Lieblingsfach Physik verbinden kann...

Topologische Phänomene in der Leitfähigkeit sind bekannt, seit Klaus von Klitzing, Gerhard Dorda und Michael Pepper 1980 den ganzzahligen Quanten-Hall-Effekt entdeckten [1]. Dabei ist die Hall-Leitfähigkeit eines zweidimensionalen Elektronengases in einem starken senkrecht angelegten Magnetfeld in Stufen von e2/h quantisiert. Die beeindruckende Genauigkeit der Quantisierung deutet darauf hin, dass das zugrundeliegende physikalische Prinzip nicht von Details des Materials abhängt. In einer wichtigen Pionierarbeit zeigten David Thouless, Mahito Kohmoto, Peter Nightingale und Marcel den Nijs zwei Jahre später, dass eine topologische Invariante, die so genannte Chern-Zahl, die Hall-Leitfähigkeit festlegt [2].

Die Chern-Zahl ähnelt in ihrer geometrischen Bedeutung dem Satz von Gauß-Bonnet: Das Integral über die Krümmung einer geschlossenen Fläche ist durch die Anzahl der Löcher gegeben, die der Körper besitzt, den die Fläche umschließt. Sein Wert hängt nicht von der genauen Geometrie der Oberfläche ab, weil die Anzahl der Löcher bei einer stetigen Deformation gleich bleibt. Analog leitet sich die Chern-Zahl aus der Zahl besetzter Landau-Niveaus ab. Sie lässt sich nicht durch stetige Veränderung des Hamilton-Operators ändern – aus diesem Grund ist der Quanten-Hall-Effekt so robust. Ändert sich aber die Anzahl besetzter Landau-Niveaus, kann ein topologischer Phasen­übergang stattfinden, der die Chern-Zahl modifiziert. Die Volu­men-Rand-Korrespondenz besagt, dass die Chern-Zahl direkt mit der Anzahl chiraler Randzustände am Übergang des Systems zum Vakuum zusammenhängt...

Ein prototypisches Beispiel für solche Phasengrenzen ist das Anwachsen eines Clusters (Abb. 1). Kazumasa Takeuchi hat das Experiment 2009 im Rahmen seiner Dissertation entwickelt und durchgeführt [1]. Seine brillante Idee war es, eine metastabile Phase (dort DSM1 genannt) durch einen dünnen Film eines turbulenten Flüssigkeitskristalls zu realisieren. Die Dimensionen der Flüssigkeitsschicht betrugen 16 mm × 16  mm × 12 μm. Die Kristallstäbchen stehen im Mittel senkrecht. Der Film ist zweidimensional statistisch homogen und isotrop. Ein Punktcluster der stabilen Phase (DSM2) entsteht durch einen gut fokussierten Laserpuls. Dieser Nukleus wächst, weil sich am Rand des Clusters DSM1 in DSM2 umwandelt (Abb. 1). Der umgekehrte Prozess ist stark unterdrückt. Abstrahiert vom konkreten Experiment untersuchen wir eine Phasengrenzfläche, die durch den Kontakt zwischen einer stabilen und metastabilen Phase realisiert ist. Das müssen nicht unbedingt thermodynamische Phasen sein, sondern es kann sich auch um stationäre, räumlich homogene Nichtgleichgewichtszustände handeln. Betrachtet vom Standpunkt der stabilen Phase lässt sich die Dynamik als ein Anlagerungsprozess interpretieren, vergleichbar mit dem Eden-Wachstum und ballistischer Deposition [2,3]. Unser Interesse gilt den statistischen Eigenschaften der sich dynamisch ent­wickelnden Formfluktuationen...

 

Das im 17. Jahrhundert von Christiaan Huygens formulierte Prinzip besagt, dass jeder Punkt einer Wellenfront den Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle bildet [1]. Entsprechend lässt sich die Wellenfront einer Lichtwelle durch Aufprägen einer räumlich variierenden Phasenverteilung kontrollieren. Dies ist der Schlüssel zu einer Reihe optischer Funktionalitäten wie Strahlablenkung, -formung und Fokussierung. Meist erfüllen diese Aufgaben konventionelle optische Komponenten wie Linsen, welche dem einfallenden Licht eine räumliche Phasenverteilung durch Propagation in einem transparenten Material über makroskopische Distanzen aufprägen.

Die Fortschritte in der Nanotechnologie ermöglichen es, diese Funktionen nun auch durch strukturierte Filme, die nur zehn bis wenige hundert Nanometer dünn sind, bereitzustellen. Dabei handelt es sich um so genannte photonische Metafilme bzw. -oberflächen [2]. Ähnlich wie dreidimensionale photonische Metamaterialien, die andere optische Eigenschaften als natürliche Materialien besitzen können [3], bieten Meta­filme zahlreiche Freiheitsgrade, die über diejenigen konventioneller optischer Komponenten hinausgehen. Beispiele sind eine lokal polarisationssensitive optische Antwort oder maßgeschneiderte Dispersion...

Oxidische Materialien besitzen viele wissenschaftlich interessante und technologisch nützliche Eigen­schaften. Verantwortlich hierfür ist das starke Wechselspiel der elektronischen Ladungsträger in diesen Materialien, das zu einzigartigen physikalischen Phänomenen führt. Hierzu zählen exotische magnetische Ordnungsstrukturen, kolossale magnetoresistive Effekte, Hochtemperatursupraleitung und vieles mehr. Besonders interessant sind oxidische Grenzflächen [1]. Sie entstehen, wenn zwei Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften aufeinandertreffen. Dabei spielt es eine untergeordnete Rolle, ob diese Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung oder etwa der Gitterstruktur liegen. Generell bedeutet das Auftreten einer Grenzfläche einen Symmetrie­bruch gegenüber der homogenen Ordnung des umliegenden Materials. Dieser Symmetriebruch spiegelt sich in der lokalen mikroskopischen Struktur wider und ermöglicht neue Material­eigenschaften. Zusätzlich verursachen Grenzflächen lokale Verspannungen im Kristallgitter und Anomalien in der Ladungsverteilung. Aufgrund dieser Eigenschaften können oxidische Grenzflächen ein faszinierendes und facettenreiches Eigenleben entwickeln.

Ein prominentes Beispiel für eine funktionale oxidische Grenzfläche ist die Zwischenschicht, die entsteht, wenn die beiden Isolatoren LaAlO₃ (LAO) und SrTiO₃ (STO) aufeinandertreffen [2]. An der Grenzfläche entwickelt sich ein freies Elektronengas, das die Leitfähigkeit lokal drastisch erhöht. Bei genügend tiefen Temperaturen treten sogar supraleitende Eigenschaften auf. Dieses Beispiel zeigt eindrucksvoll, wie sehr sich Grenzflächen vom umliegenden Material abheben können und welche physikalischen Über­raschungen sich hier verbergen...

Wellen begegnen uns als Wasserwellen und Schall, die sich in einem Medium ausbreiten, aber auch als Licht und Gravitationswellen, die selbst im Vakuum Energie transportieren. Bei Spin­wellen breitet sich eine Störung in Form von präzedierenden magnetischen Momenten durch einen Festkörper mit magnetischer Ordnung aus. Damit sind Spinwellen etwas Besonderes, denn sie bewegen sich in einem Medium, das selbst ein Vektorfeld ist. Dieses ist aus den einzelnen magnetischen Momenten im Festkörper aufgebaut, die einem speziellen Bewegungsgesetz gehorchen, das wiederum den Transporteigenschaften von Spinwellen eine besondere Aniso­tropie aufprägt. Diese Eigenschaft macht Spinwellen nicht nur grund­lagenphysikalisch interessant, sondern hat mit der Vision, Spinwellen als Informationsträger in der Datenverarbeitung zu nutzen, auch das Forschungsgebiet der Magnonik begründet [1, 2].

Was bedeutet nun ein Vektorfeld als Me­dium für eine Welle? Und was genau ist dieses spezielle Bewegungsgesetz? Ein einzelnes magnetisches Moment  möchte typischerweise in Richtung des Magnetfeldes  zeigen – ähnlich einer Kompassnadel. Wird aus dieser Ruhelage ausgelenkt, so reagiert es wie ein mechanischer Kreisel, wenn dessen Rotationsachse nicht mehr parallel zur Gravitationskraft liegt:  präzediert, denn mit dem magnetischen Moment eines Elektrons ist auch ein Drehimpuls verknüpft. Die daraus resultierende Dynamik haben Landau und Lifshitz in der nach ihnen benannten Gleichung beschrieben: , wobei γ das gyromagnetische Verhältnis ist. Ein einzelnes magnetisches Moment präzediert somit auf einer Kreisbahn (Abb. 1a). Komplizierter wird es, wenn viele magnetische Momente im Festkörperverbund angeordnet sind, da sie dann über verschiedene Mechanismen miteinander wechselwirken. Um die Ausbreitung von Spinwellen zu verstehen, beschränken wir uns auf die magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkung...

Von Anfang an begeisterte die amerikanische Fernsehserie Star Trek ihre Fans nicht nur durch die spannenden Erlebnisse der Raumschiffbesatzungen unter Captain Kirk, Picard & Co., sondern auch durch die genaue Beschreibung physikalischer Aspekte und der Zukunftstechnik. Captain Kirk ließ nicht einfach „Gas“ geben, wenn die Enterprise zu einer ihren vielen Reisen aufbrach, sondern befahl, das Raumschiff auf „Warp-Geschwindigkeit“ zu beschleunigen. Der Name des dafür nötigen Warp-Antriebs löst sofort Spekulationen über den Antriebsmechanismus aus − wie so viele andere erstaunliche Erfindungen an Bord der Enterprise wie das Beamen oder der Replikator. Immer drängen sich die Fragen auf „Wie funktioniert das?“ bzw. „wie könnte das funktionieren?“ Wenn in der Serie von „Neutrinos“ oder „Antimaterie“ die Rede ist, haben wir es mit Begriffen zu tun, die nicht nur heutigen Physikern bestens vertraut sind. Doch der Warp-Antrieb dürfte keiner uns bekannten Technologie entsprechen. Daher liegt es nahe, die Physik bei Star Trek, die sich zu einem Markenzeichen der Serie entwickelt hat, anhand dieses Beispiels einmal genauer unter die Lupe zu nehmen [1, 2].

Wie man in der ­Serie erfährt, besitzt die Enterprise zunächst einen „Impuls-Antrieb“, der zum Einsatz kommt, wenn nur „geringe“ Distanzen zurückzulegen sind. Dabei handelt es sich um einen „normalen“ Antrieb, der wie bei Raketen auf dem Rückstoßprinzip basiert. Heutige Impuls-Antriebe sind sicher ungeeignet, um die gigantischen Distanzen zwischen den Sternen unserer Milchstraße zu überbrücken. Doch bis zum 22. Jahrhundert, in dem sich erstmals ein Raumschiff mit Namen Enterprise auf die Reise macht, vergeht ja noch etwas Zeit. Bis dahin, so ließe sich argumentieren, könnte beispielsweise ein Supertreibstoff entwickelt worden sein oder neuartige Ionenantriebe, die Energie aus der Kernfusion gewinnen. Schließlich dreht es sich um Science Fiction und nicht um das, was heute schon möglich ist. Doch die Macher von Star Trek haben nicht nur fantasievoll spekuliert, sondern Wert darauf gelegt, die Naturgesetze für die Technik der Zukunft nicht zu stark zu „verbiegen“. Daher ist die Frage erlaubt, warum der „Warp-Antrieb“ statt eines „sehr schnellen“ Impuls-Antriebs zum Einsatz kommt, um die gigantischen Distanzen zwischen den Sternen zu überbrücken...

Die Universität Heidelberg – die älteste auf deutschem Boden – feierte 2011 ihr 625-jähriges Jubiläum. Im Sommer 2010 lud der Rektor alle Professorinnen und Professoren ein, sich im Jubiläumsjahr bei der Öffentlichkeitsarbeit zu engagieren. Da wir Astronomen „Public Outreach“ in vielen Varianten praktizieren, war klar: Selbstverständlich machen wir auch bei diesem Geburtstagsfest der Universität mit.

Meine Idee war: Wir machen es aber anders! Anders als die üblichen Vorträge von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern für die Öffentlichkeit. Die laufen nämlich oft genug so ab: In der Regel sind sie auf den Abend terminiert, angesetzt auf eine Stunde oder neunzig Minuten Dauer. Die Veranstaltung findet meist in einem Hörsaal oder in der Aula der Universität statt. Zuhörerinnen und Zuhörer fühlen sich oft verpflichtet, sich dafür „abendfein“ zu machen. Der Vortrag beginnt vielversprechend, doch nach kurzer allgemeiner Einführung geht es inhaltlich in die Vollen. Bereits nach zehn Minuten sind viele Zuhörer komplett abgehängt, der Vortragende möchte aber unbedingt alle Details loswerden und überzieht zudem gnadenlos. Am Ende sind alle Beteiligten erschöpft und erleichtert, dass es (endlich) vorbei ist. So sollte es diesmal nicht laufen...

Die Miniaturisierung von Vakuumanwendungen gewinnt immer mehr an Bedeutung, da kleinere Bauformen komfortabler, schneller und vielfältiger einsetzbar sind. Die Realisierung von Vakuum auf Chipebene würde viele neue Möglichkeiten eröffnen, beispielsweise für Mikroresonatoren höherer Güte, tragbare Systeme für Massenspektrometrie oder portable Feldemissionselektronenquellen [1].

Ein übliches TO-Package (TO steht für Transistor Outline) mit einem Volumen von 4,5 Kubikzentimetern besteht aus einem Sockel für die Stromversorgung der gekapselten Bauteile sowie einer aufgelöteten Kappe, um das Gehäuse hermetisch zu verschließen. Mit klassischen Methoden ist es äußerst schwierig, ein Hochvakuum in einem TO-Package zu erzeugen und zu charakterisieren. Diese Thematik stand daher im Mittelpunkt meiner Masterarbeit und ist weiterhin Gegenstand intensiver Untersuchungen bei der Firma KETEK...