Physik Journal 8-9 / 2021

„Solaris“ enthält viele typische Elemente im Werk von Lem, der vor 100 Jahren am 12. September 1921 im damalig polnischen Lwów (heute ukrainisch Lwiw) geboren wurde: die Fremdartigkeit des Universums, komplexe Phänomene, an denen sich die irdische Wissenschaft die Zähne ausbeißt, metawissenschaftliche Diskurse und eher wenig strahlende Protagonisten. In Lems Science-Fiction-Romanen erobert die Menschheit nicht den Kosmos und trifft auch nicht auf menschenähnliche Außerirdische à la Star Trek, sondern wird wieder und wieder mit den eigenen Grenzen konfrontiert. Lem berauscht sich dabei nicht an wissenschaftlich-technischen Errungenschaften, sondern schickt seine „Helden“ mit der Zukunftstechnologie in ein fremdartiges Universum und kratzt dabei gehörig am Image des Menschen als „Krone der Schöpfung“.

Lems erste Bücher wie „Der Planet des Todes“ (1951, in der BRD: „Astronauten“) und „Gast im Weltraum“ (1955, auf Deutsch nur in der DDR) sind noch vom Zukunfts­optimismus des damaligen Kommunismus getragen. Doch spätestens mit Beginn der 1960er-Jahre wandeln sich seine Romane zu Versuchsanordnungen, in denen hauptsächlich männliche Charaktere mit einer Zukunftsgesellschaft konfrontiert sind, die ihnen fremd bleibt, oder mit einem Universum, das ihnen unauflösbare Rätsel aufgibt. (...)

Eigentlich sollte die Beschreibung von Elektronen und Kernen kein Problem sein, schließlich haben wir die relativistische Vielteilchen-Dirac-Gleichung. Paul Dirac selbst schrieb 1929 [1]: „The general theory of quantum mechanics is now almost complete […] The underlying physical laws […] are thus completely known, and the difficulty is only that the exact application of these laws leads to equations much too complicated to be soluble“. Trotz enormer Fortschritte in der Rechnertechnologie bleiben die Gleichungen bis heute nicht stringent lösbar: Wir brauchen Näherungsmethoden und deren experimentelle Bestä­tigungen – zumindest so lange, bis Quantencomputer das Problem vielleicht tatsächlich berechnen können.

Doch wir stehen hier vor einem experimentellen Dilemma: Wir können Quantensysteme nicht beobachten, ohne sie zu stören oder gar zu zerstören. Entscheidend ist es, die Zerstörung so zu gestalten und vor allem so umfassend und präzise zu vermessen, dass sich möglichst vollständige Informationen über den Zustand des Systems zum Zeitpunkt der Zerstörung ergeben. Gelungen ist dies für mehrere Teilchen in der Atomphysik erstmals mit dem „Reaktions­mikroskop“ (REMI, Abb. 1). (...)

Die Linearität der Quantenmechanik ermöglicht Materiewellen-Interferometer, die als hochempfindliche Quantensensoren für Rotation und Beschleunigung dienen [2]. Eine Pionierleistung auf diesem Gebiet war die Messung der Phasenverschiebung in einem Neutronen-Interferometer [3, 4] aufgrund der Gravitation. Heute benutzt man dazu kalte Atome, insbesondere Bose-Einstein-Kondensate, die mithilfe von Lichtstrahlen aufgeteilt und wieder zusammengeführt werden. Im Folgenden zeige ich, dass die Phasenverschiebung in einem Kasevich-Chu-Atom-Interferometer [5] von der Nichtvertauschbarkeit [6] zweier Quantendynamiken und insbesondere dem Kommutator zwischen den Operatoren für Ort und Impuls herrührt.

Schon 1927 bemerkte Earle Hesse Kennard [7], dass eine Wellenfunktion in einem linearen Potential eine globale Phase entwickelt, die proportional zur dritten Potenz der Zeit ist. Die erste direkte Messung dieser Kennard-Phase erfolgte in einem Analogsystem der Quantenmechanik, nämlich bei Tiefwasserwellen [8, 9]. Mit diesem Effekt lässt sich auch ein neuartiges Atom-Interferometer mit einer verbesserten Skalierung entwickeln [10]. Während beim Kasevich-Chu-Interferometer die Phasenverschiebung quadratisch in der Zeit ist, die das Atom im Interferometer verbringt, wächst diese in einem Interferometer basierend auf der Kennard-Phase mit der dritten Potenz an. Der experimentelle Nachweis dieser Änderung des Potenzgesetzes gelang mit einem Stern-Gerlach-Interferometer [11, 12]. (...)

Der aus dem Griechischen stammende Begriff „Hybrid“ bezeichnet eine „Kreuzung“ oder „Mischform“. In der Biologie sind beispielsweise Maultier und Maulesel die natürlichen Kreuzungen von Pferd und Esel. Allgemeiner kommt der Begriff in Wissenschaft und Technik zum Einsatz – von der hybriden Armbanduhr, die eine analoge und eine digitale Anzeige kombiniert, bis zum Hybridunterricht der Schule, der digitale Elemente und Präsenzunterricht vereint. Bekannt ist auch der „Plug-In-Hybrid“ als Auto mit Verbrennungs- und Elektromotor, das sich sowohl mit Benzin betanken als auch an der Steckdose aufladen lässt.

In der Nanotechnologie sind in hybriden Bauelementen verschiedene Mechanismen, Technologien oder unterschiedliche Materialien und Materialtypen kombiniert. Typische Beispiele sind die Kombination von Supraleiter- und Halbleiter-Elementen, von organischen und anorganischen Materialien, von Mechanismen aus Bio­logie und Festkörperphysik oder Optik und Elektronik. Arbeits­gruppen und Forschungszentren weltweit arbeiten daran, die Eigen­schaften von Bauelementen zu optimieren und neue Funktionalitäten zu entwickeln – durch die Kombination verschiedenster Teile, die einzeln auf unterschiedliche Weise glänzen. Entsprechende Zentren in Deutschland finden sich etwa in München (Nanosystems Initiative Munich) oder in Hamburg (Center for Hybrid Nanostructures). (...)

Ein Halbleiter besitzt eine elektrische Leitfähigkeit, die zwischen der eines Isolators und eines Metalls liegt. Meist befinden sich die Energieübergänge zwischen gefüllten und leeren Zuständen im sichtbaren Spektral­bereich, sodass viele Halbleiter Licht absorbieren und emittieren können. Daher kommen sie neben Transis­toren auch für Solarzellen und Leuchtdioden bzw. Diodenlaser zum Einsatz. Am weitesten verbreitet sind Halbleiter aus anorganischen Materialien wie Silizium, Germanium, Galliumarsenid oder Gallium­nitrid. Bereits früh gelang es, ihre Leitfähigkeit kontrolliert zu modifizieren und sie so für elektronische Bauteile, insbesondere Feldeffekttransistoren, zu nutzen.

Organische Halbleiter bestehen dagegen im Wesentlichen aus Kohlenstoff und Wasserstoff sowie einem geringen Anteil an Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel. Sie liegen als Polymere oder niedermolekulare Verbindungen vor. Erste Untersuchungen ihrer Halbleitereigenschaften begannen in den 1950er-Jahren, breites wissenschaftliches Interesse riefen sie jedoch erst hervor, nachdem in den 1980er- und 1990er-Jahren ihre technologische Nutzung als Photoleiter beim Fotokopieren und als Emitter in Displays rasch voranschritt. Organische und anorganische Halbleiter unterscheiden sich deutlich in ihren optischen und elektronischen Eigenschaften. Daher lassen sich die Gesetz­mäßigkeiten und Gleichungen für die anorganischen kristallinen Halbleiter nicht direkt auf ihre organischen Pendants übertragen [1]. (...)

Im Alltag begegnen uns magnetische Materialien meist als Ferromagneten; etwa in Motoren, als Datenspeicher oder um Notizen an den Kühlschrank zu pinnen. Für diese Funktionalitäten nutzen wir deren spontane Magnetisierung, die sich aus der parallelen Anordnung der atomistischen magnetischen Momente ergibt. Weniger alltäglich, dafür aber von großem Interesse für mögliche technologische Anwendungen und Gegenstand eines sehr produktiven Forschungsfelds, sind Antiferromagneten. In diesen richten sich atomistische magnetische Momente spontan in antiparallelen oder andersartig kompensierten Konfigurationen aus. Dadurch können emergente Material­eigenschaften entstehen, welche sich radikal von denen der elementaren Bausteine unterscheiden. So lässt sich etwa in Multiferroika eine spontane Trennung von posi­tiven und negativen Ladungen im Material (ferroelektrische Pola­risierung) beobachten, die durch komplizierte antiferromagnetische Spin-Ordnungen induziert wird.

Eine besondere Klasse antiferromagnetischer Materia­lien sind Spin-Eis-Systeme, in denen sich durch die geometrische Anordnung der atomistischen magnetischen Momente nicht alle Spin-Spin-Wechselwirkungen simultan befriedigen lassen. Als Konsequenz dieser Frustration bildet sich keine globale langreichweitige Ordnung aus. Stattdessen stellt sich eine magnetische Struktur ein, die zufällig wirkt, aber auf lokalen Längenskalen klaren Regeln folgt: Diese Regeln pos­tulierte Linus Pauling 1935, um die Struktur und die endliche Nullpunktentropie von Wassereis zu erklären [1]. (...)

In den letzten Jahren ist es gelungen, viele neue Erkenntnisse über den energetisch niedrigstliegenden aller bisher bekannten Kernzustände zu gewinnen [1]. Mittlerweile arbeiten zahlreiche Gruppen weltweit an der weiteren Erforschung des Isomers 229mTh mit dem Ziel, eine optische Uhr basierend auf einem nuklearen Übergang zu realisieren. Das „m“ steht hier für metastabil und bezeichnet einen langlebigen Kernzustand mit einer Lebensdauer größer als Nanosekunden. Während die Energiedifferenzen zwischen angeregten Zuständen in Atomkernen typischerweise im Bereich von mehreren keV bis einigen MeV liegen, nehmen das Isotop 229Th und sein erster angeregter nuklearer Zustand eine Sonderstellung ein: Die Anregungsenergie des Kernisomers beträgt nach aktuellem Kenntnisstand lediglich (8,19 ± 0,12) eV – gemittelt aus [2, 3] – und liegt damit in einem Energiebereich wie atomare Hüllenübergänge. Das ermöglicht es, den Kernzustand mit einem Laser anzuregen. (...)

Ionen lassen sich in vielen Anwendungen nutzen, um beispielsweise Oberflächen zu glätten oder gezielt aufzurauen oder um die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern durch Implantation von Ionen zu kontrollieren. Außerdem eignen sich Ionen, um dünne Schichten tiefenaufgelöst zu analysieren. Im Vergleich zu elektronengestützten Methoden besitzen Ionen eine deutlich größere Masse und eine veränderliche Eigenschaft: ihren Ladungszustand. Die Ladung eines Ions kann entweder leicht negativ sein oder durch sukzessive Ionisation von Elektronen hohe positive Werte erreichen. In Atomen hat jedes Elektron eine eher kleine Bindungsenergie: Sie liegt bei etwa 10 eV für Valenzelektronen und einigen keV für kernnahe Elektronen. Allerdings nimmt sie mit jedem Ionisationsschritt zu: Für Ladungszustände zwischen 30 und 40 beträgt der gesamte Energieaufwand zum Erreichen dieser Ladung für schwere Ionen wie Xenon zwischen 10 und 40 keV (Abb. 1) – diese potentielle Energie ist ein für Ionen einzigartiger Parameter [1].

Wenn Ionen in hohen Ladungszuständen vorliegen, kann sich dies durch Elektroneneinfang oder -emission zeitlich ändern. Trifft ein Ion auf eine Festkörperoberfläche, so tritt es mit dem elektronischen System der Oberfläche in Wechselwirkung. Besitzen die Ionen Geschwindigkeiten, die kleiner sind als die Fermi-Geschwindigkeit des Materials von etwa 106 m/s (oder näherungsweise kleiner als die Elektronenorbitalgeschwindigkeit), dominiert der Elektroneneinfang. Bei der Neutralisation setzt das Ion die in ihm gespeicherte potentielle Energie frei. Als Ergebnis bilden sich typischerweise Nanostrukturen wie Löcher, Hügelchen oder Kraterstrukturen auf der Oberfläche aus, die für Anwendungen interessant sein können. Im Detail stellen sich die Fragen, wie die Abgabe der potentiellen Ener­gie an das Material funktioniert und durch welchen Mechanismus sich die Nanostrukturen bilden [2]. Beispielsweise bestimmt der zeitliche Verlauf des Ladungsaustauschs, der Ener­gieabgabe und der elektronischen Antwort der Oberfläche das Depositionsprofil der potentiellen Ener­gie. Dieses Profil ist ein wichtiger Ausgangsparameter für Simulationen der Oberflächenmodifikation. (...)

Mit dem anthropogenen Klimawandel habe ich mich erstmals in den 1980er-Jahren beschäftigt, als mein Aachener Professor mich zum Arbeitskreis Energie der DPG einlud. Als Kern- und Teilchenphysiker habe ich natürlich zunächst über neuartige Kern­reaktoren nachgedacht. Abstand davon nahm ich letztlich aufgrund folgender Überlegung: Der globale Primärenergiebedarf beträgt in jeder Sekunde im Mittel etwa 18 000 GW [1], was einer Leistung von etwa 18 000 Kernkraftwerken entspricht. Wenn also Kernenergie einen signifikanten Anteil der Primärenergie liefern soll, so sind tausende Reaktoren auf allen Kontinenten nötig. Aufgrund der damit einhergehenden Risiken erzeugt die Kernenergie mehr Probleme, als sie löst – insbesondere bei Terrorismus und Proliferation. Damit war für mich das Kapitel Kernenergie abgeschlossen, auch wenn viele meiner Kollegen entgegengesetzter Ansicht sind [2, 3]. Doch wie lässt sich der immense Energiehunger unserer modernen Gesellschaften stattdessen stillen? (...)

Erinnern Sie sich noch daran, wie Sie die Schwerkraft entdeckten? Sicherlich nicht, denn Sie waren dabei vermutlich noch keine zwei Jahre alt. Durch unzählige Experimente überzeugen sich bereits Kleinkinder davon, dass das Gesetz der Schwerkraft allgemein gültig ist: Alles fällt herunter, und zwar immer wieder. Später folgen komplexere Zusammenhänge: schiefer Wurf, Reibung oder Rotationsbewegungen. Auf Basis der eigenen körperlichen Erfahrung können Kinder auf diese Weise die Welt im wahrsten Sinne des Wortes be-greifen. Erst sehr viel später kommt in der Schule die formale Ausein­andersetzung mit physikalischen Beschreibungen und Erklärungen dazu, die – je nach Abstraktionsgrad – mehr oder weniger schwer fällt.

Oft neigen wir in der Vermittlung physikalischer Inhalte dazu, Dinge zu schnell zu „verein­fachen“. Aus einem komplexen Alltagsphänomen wird eine „einfache“ physikalische Formel – die jedoch leider nur noch wenige Menschen verstehen. Dies kann mitunter abschreckend wirken und baut unnötige Hürden beim Lernen der Naturwissenschaften auf. Zu oft vergessen wir Konfuzius und seinen Grundsatz, dass man als Lernender und Entdeckerin die Dinge und Phänomene zunächst selbst erleben muss. 

Welche Bedeutung das eigene Erleben von physi­kalischen Phänomenen für das persönliche Lernen hat, ist mir als Jugendlichem beim Gleitschirmfliegen bewusst geworden. Zunächst als Flugschüler, später als Fluglehrer, hat mich das unmittelbare Erleben von Auftriebskräften, Luftwiderstand und Zentripetalbeschleunigung fasziniert. Die Physik des Fliegens ist viel einfacher zu verstehen, wenn sie mit der eigenen Beobachtung und – körperlichen – Erfahrung verknüpft ist. Wenn sich beim Anbremsen des Gleitschirms der Luftwiderstand erhöht, der eigene Körper unter dem Schirm hindurchpendelt und gleichzeitig der Auftrieb steigt, verdeutlicht dies das Zusammenspiel aus Strömungskräften und Schwerkraft besser als jede Abbildung, Erklärung oder Animation.

Typischerweise lernen Kinder und Jugendliche Physik in der Schule bewusst kennen, und dabei lieben oder leider hassen. Aber man begegnet ihr auch regelmäßig in Museen und an anderen außerschulischen Lernorten – und natürlich im Alltag bei der Auseinandersetzung mit vielen technischen Geräten wie Handy, Fernseher oder Kopfhörer beziehungsweise bei der Beobachtung von Phänomenen wie Regenbogen oder Sonnenfinsternis. Heutzutage boomen Wissenssendungen, Podcasts, Quizshows und andere Formate. Daher stellt sich die Frage, wie man als begeisterter Physiker seine Passion einem breiten Publikum näherbringen kann. Der Schlüssel dafür liegt im eigenständigen Erleben und Experimentieren. (...)

Einsteins wahrscheinlich berühmteste Formel E = mc² beschreibt die Äquivalenz von Energie und Masse und bildet mit der zugrundeliegenden Speziellen Relativitätstheorie einen Grundpfeiler der modernen Physik. Die aktuell genausten Experimente zum direkten Test dieser Formel kombinieren Ergebnisse aus Gammaspektrometern zur Bestimmung der Kernbindungsenergie mit hochpräzisen Massenmessungen von Ionen mittels Penning-Fallen-Massenspektrometrie [1]. Zuletzt gelang damit eine Übereinstimmung zu mindestens 99,99996 Prozent [2].

Das Penning-Fallen-Experiment Pentatrap am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg zielt darauf ab, die Theo­rie um eine Größenordnung genauer zu überprüfen [3, 4]. Eine der Hauptkomponenten ist ein supraleitender Magnet, der ein homogenes Magnetfeld von rund 7 Tesla erzeugt. Dieses zwingt ein zu vermessendes Ion aufgrund der Lorentz-Kraft auf eine Kreisbahn, wodurch es in der Ebene gespeichert ist. Die Kreisfrequenz dieser Bewegung ist durch ω = qB/m gegeben. Daher leitet sich die Masse m eines Ions mit Ladungszustand q aus einer Frequenzmessung ab. (...)

Zum ersten Mal seit vielen Jahren ist es nicht gelungen, Daten zu den Physik-Studiengängen aller 59 Physik-Fachbereiche zu erheben. Grund dafür ist ein Hacker­angriff, der die IT-Systeme einer großen Universität für mehrere Wochen lahm legte. Bis Redaktionsschluss gelang es nicht, die Daten dieser Universität zu rekonstruieren. Solche kriminellen Attacken zeigen einmal mehr die Bedeutung des Themas IT-Sicherheit auch an Hochschulen! Dass für Lehramtsstudiengänge die Statistik gewisse Lücken und Unsicherheiten aufweist, hat allerdings Tradition: Bei etwa einem Dutzend dieser Studiengänge fehlen die Absolventenzahlen – meist weil die zuständigen Ministerien sie zentral erfassen und sie den Fachbereichen, wenn überhaupt, nur mit erheblicher Verzögerung mitteilen.

Neu-Immatrikulationen

Der Einbruch bei der Zahl der Neu-Immatrikulationen sticht sofort ins Auge (Tab. 1 und Abb. 1). Lag die Zahl derjenigen, die sich innerhalb eines Jahres erstmals für ein Physikstudium einschrieben, seit 2013 durchweg bei etwa 15 000 bis über 16 000, fiel sie gegenüber dem Vorjahr um 24 Prozent auf nun 12 458*.1) Zum Wintersemester 2020/21 und zum nachfolgenden Sommersemester haben sich 9096* Personen (Vorjahr: 11 970; –24 %) erstmals in einen Bachelorstudiengang Physik und 1263 Personen (1715; –26 %) in einen Bachelorstudiengang mit Schwerpunkt Physik eingeschrieben. 2094 Personen entschieden sich für einen Physik-Lehramtsstudiengang, davon 1216 (1417; –14 %) für einen Bachelor- und 878 (967; –9 %) für einen Staatsexamensstudiengang. Der Rückgang betrifft also alle grundständigen Studiengänge, dramatisch ist er bei den Fach-Studiengängen. Wie lässt sich dieser Befund interpretieren? (...)

Im internationalen Vergleich hat Deutschland in Bezug auf die Quantenphysik in der Schule eine sehr gute Ausgangsposition. Hier gibt es jahrzehntelange Erfahrungen in den Schulen sowie fachdidaktische Forschung zu Schülervorstellungen und zur Wirksamkeit von Unterrichtskonzepten in der Quantenphysik. So haben sich die Lehrpläne in den meis­ten Bundesländern inzwischen über den historischen Zugang hinaus entwickelt. Das Doppelspaltexperiment mit einzelnen Quantenobjekten und die statistische Deutung der Quantenphysik sind inzwischen meist Standard. Auch Begriffe wie Nichtlokalisierbarkeit von Quantenobjekten oder Komplementarität kommen vor allem in Leistungskursen zur Sprache.

Aber in vielen europäischen Ländern ist noch der rein historische Zugang verbreitet – wenn denn die Quantenphysik an den Schulen überhaupt ein Thema ist [1]. Dieser Zugang orientiert sich meist weniger an der tatsächlichen Ideengeschichte, sondern an einer Abfolge einiger historischer Experimente, die mit Schulmitteln nachvollziehbar sind – vom Photoeffekt über den Franck-Hertz-Versuch bis zur Elektronenbeugung. Angesichts der Bedeutung von Experimenten für den Erkenntnisfortschritt in der Physik erscheint das zunächst vernünftig. Die Fachdidaktik hat jedoch schon früh erkannt, dass im Fall der Quantenphysik Unterrichtskonzeptionen nötig sind, die darüber hinaus­gehen. Denn die Quantenphysik widerspricht in so hohem Maße unseren Denkgewohnheiten, dass die Lehrkräfte den Schülerinnen und Schülern weitergehende Denk- und Verständnisangebote machen müssen. Ein reflektierter Umgang mit den klassischen Modellvorstellungen sowie ein sorgfältiger Umgang mit der Sprache sind hierbei unerlässlich – denn unsere Alltagssprache eignet sich nur bedingt, um Quantenphänomene adäquat zu beschreiben. (...)