Physik Journal 7 / 2021

Bereits 1896 sagte der schwedische Physiker Svante Arrhenius wegen des rasch wachsenden Kohleverbrauchs und der damit verbundenen Kohlendioxid­emissionen steigende globale Temperaturen voraus. Zu diesem Zeitpunkt stieß diese Erkenntnis jedoch auf wenig Interesse. Etwa vierzig Jahre später beobachteten Meteorologen tatsächlich einen signifikanten Anstieg der Temperaturen in Europa, der in der Arktis besonders ausgeprägt war. Der englische Ingenieur Guy Callendar versuchte 1938 durch umfangreiche Berechnungen nachzuweisen, dass der Treibhauseffekt diesen Anstieg verursacht haben könnte (Abb. 1). Zu seiner Überraschung traf seine Theorie in der Meteorologie und Klimatologie auf große Skepsis. Möglich schienen auch zufällige Verschiebungen der globalen Windzirkulation als Ursache für den Temperaturanstieg. 
Es dauerte weitere vier Jahrzehnte, bis weiterhin steigende Kohlendioxidemissionen ernsthafte Befürchtungen über eine Klimaerwärmung verursachten und zu einem Poli­tikum wurden. Paradoxerweise wandelte sich diese Wahrnehmung zu einem Zeitpunkt, als die Entwicklung der globalen mittleren Temperaturen seit rund drei Jahrzehnten wieder stagnierte. Beobachtungen wiesen also keineswegs auf einen Klimawandel wie in den 1930er-Jahren hin. Was verursachte also die plötzliche Sorge über einen Klima­wandel? Und warum erhielten die Klimawissen­schaften in den folgenden Jahrzehnten hohe politische Priorität, nicht aber vierzig Jahre zuvor? Dieser Beitrag versucht, ­Antworten auf diese Fragen zu geben.

Die Tradition der „klassischen Klimatologie“
Das Interesse am Klima reicht weit zurück. Griechische Philosophen wie Parmenides, Eratosthenes, Aristotle und Hippo­krates verstanden unter dem griechischen Wort κλίμα (klíma) den Winkel der Sonneneinstrahlung. Seefahrer und Reisende berichteten in den folgenden Jahrhunderten über die Verschiedenheit von Klimata auf dem Globus und zeigten, dass nicht der Sonnenwinkel allein das Klima­ bestimmte. Jahreszeiten, Wetter, Windströmungen und terrestrische Verhältnisse wie Entfernung von den Ozea­nen und die Höhe über dem Meer machten das Klima zu einem weitaus komplexeren Phänomen. ­Eine wissenschaftliche Klimatologie entstand im Laufe des 19. Jahrhunderts. (...)

Als die „Carl von Linde Denkmünze“ des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Vereins am 25. September 1952 in Stuttgart verliehen wurde, fiel in der Dankesrede des Preisträgers Franz Simon (1893 – 1956) unerwartet der Name von Franz Pollitzer. Im Auditorium spürte man, wie das konzentrierte Zuhören für einen Moment einem betretenen Schweigen wich. Simon, der 1933 nach England emigriert war, wollte mit Pollitzer an einen befreundeten Kollegen erinnern, der die an ihn verliehene Medaille für die Anwendung der Tieftemperaturphysik in der Industrie eigentlich weitaus mehr verdient hätte. Aber Franz Pollitzer war in Auschwitz ermordet worden.
Pollitzers Vater Adam (1835 – 1899), der aus Ungarn stammte, ließ sich in Wien nieder, wo er seit 1867 ein Kurzwarengeschäft betrieb, 1868 Pauline Spitzer (1847 – 1903) heiratete und dann hauptsächlich mit Kurrentwaren handelte, also mit Erzeugnissen aus Seide, Stoff oder Wolle. Mit wenigstens zwei Söhnen zog die Familie 1872 nach Gablonz in Böhmen um, wo sie sich weiter vergrößerte, zuletzt am 14. November 1885 mit der Geburt des fünften und jüngsten Kindes Franz. 1891 gingen die Pollitzers nach Berlin. Franz besuchte dort die Luisenstädtische Ober­realschule, an der er zu Ostern 1904 die Reifeprüfung ablegte. Inzwischen hatte er schon beide Eltern verloren. 
Im Sommersemester 1904 begann er sein Studium der Chemie und Physik an der Berliner Universität. Im Winter ging er für ein Semester nach Wien an die Technische Hochschule und die Universität, hörte unter anderem bei Ludwig Boltzmann und konvertierte im März 1905 zum Katholizismus. Ab Ostern 1905 setzte er sein Studium wieder an der Berliner Universität fort. Pollitzer promovierte bei Walther Nernst mit einer im April 1909 abgeschlossenen Untersuchung über das Gleichgewicht zwischen Schwefelwasserstoff und Jod, die unter Abscheidung von Schwefel und Bildung von Jodwasserstoff reagieren. Nernst würdigte diese Arbeit abschließend mit den Worten: „… da sowohl die Darstellung wie insbesondere die theoretische Verarbeitung der erhaltenen Ergebnisse überall eine gute Begabung und ein ungewöhnlich tiefes Verständnis erkennen läßt (sic), so bringe ich das Prädikat „valde laudabile“ in Vorschlag.“ Die vier mündlichen Prüfungen absolvierte ­Pollitzer am 15. Juli 1909 ebenfalls mit sehr gutem Ergebnis, wobei er in der Physik von Max Planck Fragen über Prinzipien der Mechanik sowie in der Elektrizität etwa über die galvanische Kette oder das Ohmsche Gesetz zu beantworten hatte. Mit dem Druck der Arbeit erfolgte die Promotion am 9. Oktober 1909. (...)

Ein Jahrzehnt nach der Berliner Erklärung, nachdem neue Open-Access-Zeitschriften gegründet und an vielen Institutionen entsprechende Repositorien als Teil einer weltweiten Infrastruktur für Open Access aufgebaut worden waren, erschienen nicht mehr als zehn Prozent der weltweit in wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlichten begutachteten Arbeiten Open Access. Gleichzeitig beurteilen laut einer Studie, an der sich mehr als 40 000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beteilig­ten, fast 90 Prozent der Befragten Open Access als positiv [1]. Somit sind neue, koordinierte Strategien nötig, um Open Access als Standard insbesondere in etablierten Zeitschriften zu verankern. Auch die internationale Initiative OA2020 zielt darauf ab, diesen Übergang durch eine zügige und wissenschaftskonforme Transformation des Geschäftsmodells der heutigen wissenschaftlichen Zeitschriften zu beschleunigen – und dabei geschätzte Funktionen wie Peer Review zu erhalten. 
Um dies in Deutschland umzusetzen, beschlossen die Präsidentinnen und Präsidenten der Allianz-Organisationen 2016, unter dem Namen DEAL (DEutsche Allianz Lizenzen) Verhandlungen mit den drei größten Wissenschaftsverlagen aufzunehmen. Basis war die Erkenntnis, dass ein stabiler Übergang zu einem Open-Access-Publikationssystem mit den bisher für das Subskriptionssys­tem aufgewendeten finanziellen Mitteln möglich ist: Laut einer Studie der Max Planck Digital Library (MPDL) beträgt der weltweite Subskrip­tionsumsatz der Wissenschaftsverlage rund 7,6 Milliarden Euro [2]. Das entspricht für jeden der etwa zwei Millionen Artikel pro Jahr rund 3800 Euro, im Wesentlichen gespeist aus den Budgets der Bibliotheken. Aber die durchschnittlichen Publikationsgebühren (Article Processing Charge, APC) liegen in reinen Open-Access-Zeitschriften deutlich unter 2000 Euro pro veröffentlichtem Artikel, wie Daten der DFG, des SCOAP3-Konsortiums und der OpenAPC-Initiative zeigten. (...)

Diese Forschungsdateninfrastruktur wird in die europäische und weltweite Forschungsdatenlandschaft (z. B. European Open Science Cloud) eingebettet sein. International etabliert ist hierbei die Einhaltung der FAIR-Prinzipien: Daten müssen demnach „findable, accessible, interoperable, reusable“ sein, also auffindbar, zugänglich, interoperabel und wiederverwendbar [1]. Beschäftigt man sich dafür mit Dokumentation, Archivierung, Transformation oder der Veröffentlichung von Forschungsdaten, spricht man vom Forschungsdaten­management.  
In der Informationswissenschaft ist das Konzept der Wissenspyramide gebräuchlich [2, 3]: Ausgehend von bloßen Daten über strukturierte Informationen (z. B. durch geeignete Metadaten annotierte Daten) steigt der Erkenntnisgewinn hin zum Wissen und schließlich zur Weisheit. Daten und Informationen können hierbei Individuen, Gruppen oder einer breiten Öffentlichkeit zugänglich sein [4]. Daraus ergeben sich verschiedene Wege zur Erkenntnis (Abb. 1): Forschende können Wissen aus ihren eigenen, indivi­duellen Daten destillieren und veröffentlichen. Andererseits steht die (eigene) Forschung durch Ergebnisse anderer Forschender in einem größeren Kontext und ermöglicht es, auf öffentlicher Ebene Wissen zu gewinnen. Beide Wege haben ihre Berechtigung und sind in der Physik verbreitet.
Daher zielen die Konsortien der NFDI darauf ab, die Forschungsdateninfrastruktur fachspezifisch auszugestalten. Forschende sollen definieren, welche Anforderungen und Wünsche sie daran haben. In drei Förderrunden von 2019 bis 2021 empfehlen Gutachterinnen und Gutachter, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) bestellt wurden, die geeignetesten Konsortien zur Förderung im Rahmen der NFDI. (...)

Der Eigendrehimpuls oder auch Spin von fundamentalen Teilchen wie Elektronen ist ein Standard­beispiel für ein quantenmechanisches Zwei-Niveau-System und bildet die Basis für magnetische Phänomene. Auch sind Einzelelektronenspins in verschiedenen Quantenarchitekturen die Basis für Quantenbits für Quantencomputer und andere Quanteninformations­experimente. Wenn Spins auf der Nanoskala genügend isoliert sind, können sie ihre quantenkohärenten Eigenschaften relativ lange beibehalten. Jedoch ist es dann oft ziemlich schwierig, ihre Zustände zu messen und kohärent zu steuern. 
In diesem Artikel stellen wir eine neuartige Methode vor, mit der sich einzelne Spins auf atomarer Skala messen und steuern lassen. Diese basiert auf dem Rastertunnel­mikroskop (Scanning Tunneling Microscope, STM), das seit fast vier Jahrzehnten Einblicke in die Nanowelt erlaubt. Für die erste Rea­lisierung erhielten Gerd Binnig und Heinrich Rohrer 1986 den Physik-Nobelpreis. Salopp gesagt funktioniert die Rastertunnelmikroskopie wie das Lesen von Blindenschrift. Allerdings „rastert“ statt des Fingers eine sehr feine Metallspitze über eine Oberfläche (Abb. 1). Mithilfe von Piezomaterialien ist dies so präzise möglich, dass Bilder mit atomarer Auflösung entstehen. Das eigentliche Mess­signal ist hier der quantenmechanische Tunnelstrom. Dieser tritt auf, wenn zwischen Probe und Spitze eine elektrische Spannung anliegt und die Spitze durch Adjustieren des Abstandes sehr nah – auf Größenordnungen von einem Nano­meter – an die Probe gelangt. Dann können Elektronen von der einen zur anderen Seite tunneln. Durch Regelung des Tunnelstroms auf einen konstanten Wert lässt sich ein Höhenprofil der Oberfläche erzeugen. Dies macht einzelne Objekte wie Atome sichtbar (Abb. auf Seite 39). Damit erlaubte das STM – zusammen mit dem Rasterkraftmikroskop [1] – neue Einblicke in die Welt der kleinsten Materiebausteine, was in Bereichen wie der Festkörperphysik, der Physikalischen Chemie oder auch der Biologie Anwendung fand. Zudem kann die Spitze die Atome auf der Oberfläche präzise „herumschieben“ (Atommanipulation) [2]. (...)

Topologie ist ein Konzept aus der Mathematik, das in den letzten Jahrzehnten auch in der Physik an Bedeutung gewonnen hat. Das gilt neben der tra­ditionellen Festkörperphysik zunehmend auch für synthetische Quantenmaterie wie photonische Wellenleiter oder ultra­kalte Atome in optischen Gittern [1, 2]. Ein zentrales Beispiel sind topologische Isolatoren, die leitende Rand­kanäle besitzen, in denen der Strom verlustfrei transportiert wird. Diese Eigenschaft entsteht aufgrund der Topologie des Materials, die durch ganzzahlige topologische Invarianten wie die Chern-Zahl beschrieben sind. Ein topologisch triviales Material hat eine Chern-Zahl ν  =  0, ein topologisch nicht-triviales Material ν ≠ 0. Die Chern-Zahl bestimmt die Anzahl der leitenden Randkanäle an der Grenzfläche zu einem topologisch trivialen Material oder dem Vakuum. Für viele Anwendungen sind genau diese Randkanäle interessant, weil sie elektrischen Strom nur in eine Richtung leiten und daher gegen Rückstreuung geschützt sind, also einen verschwindenden elektrischen Widerstand haben. 
In diesem Artikel wollen wir die Physik der eher abstrakten topologischen Konzepte anhand von Experimenten mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern veranschau­lichen. Hierbei kommen im ersten Schritt Laserkühlung und Evaporation zum Einsatz, um Atome auf sehr kalte Temperaturen von wenigen Nanokelvin zu bringen. Dies verringert die Bewegungsenergie der Atome so weit, dass sie in periodischen Potentialen gefangen sind, die durch interferierende Laserstrahlen entstehen (Abb. 1a). Die Bewegung der Atome in diesem künstlichen Kristall aus Laserlicht lässt sich ähnlich wie die Bewegung von Valenz­elektronen in einem Festkörper beschreiben. Somit stellt dieses im Labor erzeugte, wohl kontrollierte System ein stark vereinfachtes Modell von Festkörpern dar (Abb. 1b, c) und erlaubt es, deren grundlegende elektronische Eigenschaften zu untersuchen. Diese Quantensimulation der Physik von Festkörpern bietet neue Einblicke, die in vielerlei Hinsicht komplementär zu den Messgrößen in Festkörpern sind [3]. Dieser Ansatz ist besonders vielversprechend für wechselwirkende topologische Zustände, deren Eigenschaften trotz jahrzehntelanger Forschung immer noch Rätsel aufgeben. (...)

Experimente stellen seit Anfang des 19. Jahrhunderts ein zentrales Unterrichtselement dar. Ihre Eigenschaften haben sich mit der Zeit jedoch verändert [1], zuletzt durch die Möglichkeit, digitale Medien vielfältig einzusetzen. Reale Experimente dienen u. a. dazu, Natur­phänomene oder alltagsrelevante Anwendungen darzustellen und zeichnen sich durch ein hohes Maß an Glaubwürdigkeit aus [2]. Studien zeigen, dass es lernförderlich ist, wenn Lehrkräfte und Lernende Experimente angemessen vor- und nachbereiten [3]. Dieser Einbettung kommt dabei auch die Aufgabe zu, experimentelle Erkenntnisse mithilfe eines physikalischen Modells zu analysieren und zu interpretieren. 
Um Experimente in den Unterricht einzubetten, bedarf es ergänzender Medien. Dabei stehen neben Schulbüchern, Arbeitsblättern oder dem Tafelanschrieb auch digitale Medien zur Verfügung. Während in den eher traditionellen und analogen Unterrichtsmedien primär statische und visuelle Repräsentationen, wie Texte, Formeln und Zeichnungen, zum Einsatz kommen, ermöglichen digitale Technologien je nach Medium auch den Einbezug dynamischer Visualisierungen, Töne oder auch interaktiver Inhalte. Digi­tale Medien vergrößern dabei nicht nur den Handlungsspielraum der Lehrkräfte. Weil sie das Sehen und Hören ansprechen, ergänzen sie den Unterricht auch aus kogni­tionspsychologischer Perspektive [4]. 
Reale Erfahrungen und modellbezogene Beschreibungen lassen sich mit interaktiven Simulationen besonders gut verbinden. Die Simulationen basieren auf Messdaten oder theoretischen Modellen realer Prozesse bzw. Phänomene. Sie beinhalten statische oder dynamische Visualisierungen sowie teilweise auditive Elemente. Den Nutzenden ermöglichen sie die Variation verschiedener Parameter und so die Untersuchung von Einflüssen auf den dargestellten Prozess – genau wie bei realen Experimenten. Psychologische Modelle beschreiben diese Form des Erkenntnisgewinns als dreistufigen Prozess aus Hypothesenbildung, experimenteller Prüfung und resultierender Schlussfolgerung [5]. (...)