Physik Journal 6 / 2020

Die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler möchten ein digitalisiertes Fertigungssystem entwickeln – ein sogenanntes Manufacturing Grid –, um individu­alisierte Produkte herzustellen und eine breite Palette von Anwendungen zu ermöglichen: So ließe sich in der Landwirtschaft der Einsatz chemischer Unkrautvernichter minimieren, da die neuen Systeme mit ihren Sensoren Unkraut erkennen und gezielt mit Lasern behandeln können. Bislang sind die Systeme dafür noch zu teuer. In der Medizin könnte bei der patientennahen Blutanalyse eine individualisierte Optik zur Diagnostik von Krankheiten dienen.

Der Cluster gliedert sich in vier Forschungsbereiche (...)

In der klassischen Mechanik ist der Drehimpuls eines Teilchens oder Teilchen­systems eine reelle vektorwertige Größe, die beliebige Werte annehmen kann. In der Quantenmechanik hingegen ist der Drehimpuls quantisiert. Sein Betrag ist charakterisiert durch eine Quantenzahl l, die nur gewisse diskrete Werte annehmen kann. Ausgehend von den algebraischen Beziehungen der Drehimpulskomponenten untereinander lässt sich zeigen, dass die Quantenzahl l nur ganzzahlige (0, 1, 2, 3, . . .) oder halbzahlige Werte (1/2, 3/2, 5/2, . . .) annehmen kann. Wir sind heute mit der Bedeutung der halbzahligen Werte vertraut, aber wie stand es damit in der Zeit der Entwicklung der Quantenmechanik?

Nach ersten Schritten von Max Born in Richtung ­einer quantentheoretischen Formulierung der Mechanik [1] gelang Werner Heisenberg während eines Aufenthalts auf der Insel Helgoland der Durchbruch. In seiner 1925 veröffentlichten berühmten Arbeit führte er die quanten­mechanischen Größen ein, die an die Stelle der klassischen Variablen Ort, Impuls etc. treten und postulierte die Rechen­gesetze für diese Größen [2]. Born und sein Assis­tent Pascual Jordan in Göttingen erkannten darin die Regeln der Matrizenrechnung und bauten den Formalismus weiter aus [3]. In der „Drei-Männer-Arbeit“ von 1926 erweiterten Born, Heisenberg und Jordan die Theorie auf Systeme mit vielen Freiheitsgraden [4]. Hier findet sich insbesondere in einem von Jordan geschriebenen Kapitel die Quantisierung des elektromagnetischen Feldes, also der Beginn der Quantenfeldtheorie. Die Arbeit befasst sich auch ausführlich mit dem quantenmechanischen Drehimpuls, der bei der Deutung der Atomspektren eine wichtige Rolle spielt. Die Autoren fanden die alge­braischen Beziehungen zwischen den drei Komponenten Li des Drehimpulses, deren Multiplika­tion von der Reihenfolge der Faktoren abhängt. Ausgehend von dieser „Drehimpuls-Algebra“

[L1, L2] = iħ L3, und zyklisch vertauscht, zeigten sie, dass das Quadrat L→2 des Drehimpulses Werte von der Form ħ2 l(l + 1) annehmen kann. Hierin ist ħ = h/2π das „reduzierte“ Plancksche Wirkungsquantum h, und die Quantenzahl l kann, wie oben gesagt, ganzzahlige und halbzahlige Werte annehmen. (...)

Nachdem Heinrich Hertz 1888 die Existenz elektromagnetischer Wellen bestätigen konnte, setzte eine rasante Entwicklung ihrer technischen Nutzung für Funkverkehr und Radar ein – maßgeblich unter anderem durch Guglielmo Marconi, Werner von Siemens und Chris­tian Hülsmeyer. Schon in den Anfangszeiten erforderte funktionierende und verlässliche Kommunikation mittels elektromagnetischer Wellen den Umgang mit Störungen, seien diese natürlichen Ursprungs oder durch den Menschen verursacht. Damit begann der Einsatz von nachrichten- und hochfrequenztechnischen Konzepten, um beispielsweise robuste Modulationsverfahren und geeignete Filtertechniken zu entwickeln. Seit den 1950er-Jahren gilt das Gebiet der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) als eigenständige Fachdisziplin.

Aufgrund der Komplexität der heutigen technischen Systeme und ihrer physikalischen Wechselwirkungen gilt es in der EMV meist, Disziplinen wie die Mechanik, Wärme­lehre oder Plasmaphysik mit zu berücksichtigen. Als Forschungsdisziplin liefert die EMV Beiträge zur Messtechnik, zu Materialwissenschaften und zur Modellierung und Simulation multiphysikalischer Systeme. Auch viele Physikerinnen und Physiker leisten zu diesem höchst inter­disziplinären Fachgebiet wichtige Beiträge. (...)

Eine Uhr setzt sich aus einem Taktgeber und einem Zählwerk zusammen, das die Frequenz dieser Oszillation bestimmt. Die Definition der Einheit Sekunde im SI-System verwendet hierfür einen Mikrowellen-Übergang im Element Cäsium. Natürliches Cäsium besteht nur aus dem Isotop ¹³³Cs. Die niedrige Verdampfungstemperatur erleichtert es, einen Atomstrahl herzustellen. Optische Atomuhren im Labor erzielen heute relative Ungenauigkeiten von etwa 10^–18 und sind wesentlich begrenzt durch äußere elektrische und magnetische Störfelder. Diese Ungenauigkeit lässt sich – wie 2003 vorgeschlagen – weiter reduzieren, wenn die Uhr anstelle eines Übergangs in der Atomhülle einen Kernübergang verwendet [2]. Denn im erheblich kleineren Atomkern sind die Kernmomente geringer: Äußere elektromagnetische Störfelder koppeln entsprechend weniger an. Zum Konzept einer Kernuhr [2, 3] gehört ein schmalbandiger Laser, der den Kernübergang resonant anregt und dessen Wellenlänge sich mittels Frequenzkamm bestimmen lässt oder die selbst eine vakuum­ultraviolette Frequenzkamm-Mode ist (Abb. 1). Gemäß dem Funktionsprinzip optischer Atomuhren entspricht eine Sekunde einer bestimmten Anzahl von Schwingungen, die sich aus der Übergangsfrequenz des Kernübergangs ergibt. Für eine solche Uhr kommen nur Kernzustände infrage, deren Anregungsenergie so klein ist, dass ein Laser sie bereitstellen kann. Außerdem muss ihre Lebensdauer ausreichend lang sein, um für eine Uhr von hoher Stabilität geeignet zu sein. Ein solcher Zustand ist nur für das Aktiniden-Isotop ²²⁹Th bekannt. (...)