Physik Journal 12 / 2023

Seit jeher ist es faszinierend, Phänomene zu verstehen, die sich nicht mit unseren Sinnen begreifen lassen, weil sie auf zu kleinen oder zu schnellen Skalen passieren oder beides gleichzeitig. Tatsächlich gibt es eine deutliche Korrelation zwischen der Größe eines Objektes und der Geschwindigkeit seiner zugrunde liegenden Dynamik. Menschen sind gewöhnt an Abläufe auf der Skala von Sekunden oder Sekundenbruchteilen. Für schnellere Dynamik benötigen wir Werkzeuge, wie Kameras mit kurzer Belichtungszeit oder stroboskopische Beleuchtung (Abb. 1). Nähert man sich der Größenskala von Molekülen und einzelnen Atomen, liegt die Dynamik für das Bilden und Aufbrechen chemischer Bindungen im Femtosekunden-Bereich (1 fs = 10^–15 s). Das Sichtbarmachen solcher Prozesse würdigte 1999 der Chemie-Nobelpreis für Ahmed Zewail. Noch schneller ist die Dynamik der Elektronen: Im Bohrschen Atommodell lässt sich der Umrundung eines Wasserstoff-Atoms durch ein Elektron eine Dauer von etwa 150 Attosekunden (1 as = 10^–18 s) zuordnen. 

Der diesjährige Nobelpreis in Physik würdigt die Entwicklung von Werkzeugen, die es erlauben, die Dynamik von Elektronen auf der Attosekunden-Zeitskala sichtbar zu machen und zu untersuchen. Ausgangspunkt war die Entwicklung immer intensiverer Laser, in deren Folge in den 1970er- und 1980er-Jahren der Untersuchung von Ionisationsprozessen in starken Laserfeldern viel Aufmerksamkeit gewidmet wurde. Pierre Agostini hatte dazu mit der Ent­deckung der Above-Threshold Ionisation (ATI) beigetragen [1]. Später sollte sich herausstellen, dass dieser Prozess eng mit der Erzeugung von Attosekundenpulsen verknüpft ist. (...)

Wie so oft in der Geschichte der Wissenschaft geht auch die Entdeckung chemisch hergestellter Quantenpunkte nicht auf eine Person zurück, sondern wurde an verschiedenen Orten unabhängig voneinander vorangetrieben. So untersuchte Aleksei Ekimov in den frühen 1980er-Jahren die Wachstumskinetik von Kupferchlorid-Mikrokristallen in Glasschmelzen. Dabei beobachtete er, dass die Gläser je nach den Bedingungen, unter denen die Reaktion ablief, unterschiedliche Anteile des ultravioletten und sichtbaren Licht absorbierten. 1981 zeigte er, dass sich dieser Effekt auf im Glas eingeschlossene, verschieden große Nanokristalle aus Kupferchlorid zurückführen lässt [1]. Leider waren die winzigen Partikel nicht frei zugänglich und die Absorptionswellenlänge verschob sich nur um wenige Nanometer. Dennoch gelang es, die Größe der Nanokristalle eindeutig mittels Lichtstreuexperimenten nachzuweisen und damit den Größenquantisierungseffekt in Quantenpunkten erstmalig zu zeigen. 

Zeitgleich fanden jenseits des eisernen Vorhangs in der Gruppe des 2012 verstorbenen Arnim Henglein Experimente statt, um photogenerierte Elektronen in kleinen Halbleiterpartikeln für Reduktions- und Oxidations­prozesse zu nutzen. Am Hahn-Meitner-Institut in West-Berlin, das heute zum Helmholtz-Zentrum Berlin gehört, gelang die Synthese sehr kleiner Metall- und Halbleiter­partikel mit unterschiedlichen kolloidchemischen Ansätzen. Das ursprüngliche Ziel war es, durch eine geringe Größe der Partikel die Diffusionswege der Ladungsträger an die Oberfläche der Teilchen zu verkürzen. Das sollte die photo­chemischen Prozesse, die zum Beispiel zur photokatalytischen Wasserspaltung führen können, möglichst effektiv gestalten. Im Rahmen dieser Entwicklungen entstanden Synthesen, wie die Reaktion gelöster Cadmium­salze mit Sulfiden bei sehr hohen pH-Werten, um die Reak­tivität der Ausgangsverbindungen zu erhöhen und damit möglichst kleine Partikel herzustellen. Dabei wunderten sich Henglein und seine Gruppe, dass die Reaktion nicht zu einer für Cadmiumsulfid charakteristischen Gelbfärbung führte, sondern teilweise farblose Lösungen hervorbrachte. Erst spektroskopische Untersuchungen zeigten, dass sich die Absorptionswellenlänge aus dem sichtbaren in den UV-Bereich verschoben hatte, da für solch kleine, kolloidal gelöste Kristalle die Energie des sichtbaren Lichts nicht mehr ausreicht, um die Ladungsträger optisch anzuregen. (...)

Mir ist schwindelig. Der Grund dafür steht im Science Center Spectrum in Berlin. Dort gibt es einen Kreisel, der eindrucksvoll das Prinzip der Drehimpulserhaltung demonstriert. Ich stelle mich auf die Plattform und gebe dem Kreisel einen kleinen Schubs. Solange ich mich gerade hinstelle oder nach hinten lehne, dreht er sich in gemächlichem Tempo. Lehne ich mich jedoch nach vorne, nimmt er so richtig Fahrt auf und ich bin froh, als ich wieder festen Boden unter den Füßen habe.

Dieses Experiment gehört zu den ersten Versuchen des Spectrums und war schon bei der Eröffnung 1983 dabei. Damals hieß das Spectrum noch Versuchsfeld und beherbergte anfangs rund 40 Experimente. All diesen Versuchen war gemeinsam, dass die Besucherinnen und Besucher selbst Hand anlegen sollten. 

Bremen, Heilbronn, Flensburg, Pirmasens, Wolfsburg und viele weitere – die Liste der Science Center in Deutschland ist mittlerweile lang. Das erste von ihnen war das Spectrum in Berlin, das zum dortigen Technikmuseum gehört. Die Idee dazu entstand Anfang der 1980er-Jahre, als der vom Deutschen Museum in München kommende Günther Gottmann den Auftrag hatte, das Technikmuseum aufzubauen. Ihm schwebte unter anderem eine Abteilung mit Experimenten vor, ähnlich wie er das in den USA bereits gesehen hatte. Daher suchte er jemanden, der diesen Bereich übernehmen und aufbauen konnte, und fand ihn in dem Physiker Otto Lührs. Dieser besaß nicht nur das theoretische Wissen, sondern auch die nötigen praktischen Fähigkeiten. (...)

Für den Arbeitsmarkt von Physiker:innen gibt es zwei Datenquellen – die Zahlen des Mikrozensus und die der Bundesagentur für Arbeit. Erstere basieren auf einer umfangreichen Befragung und Modellbildung. Dadurch beleuchten sie einen um drei bis vier Jahre zurückliegenden Stand des Arbeitsmarktes – aktuell das Jahr 2019. Der Mikrozensus betrachtet alle erwerbstätigen Physiker:innen, die nach Selbstauskunft einen akademischen Physikabschluss besitzen, insgesamt 116 800 Personen [1]. Sie arbeiten in vielen Berufen (Abb. 1). Den Anteil mit einer Tätigkeit in klassischen Physikberufen, also dem „Erwerbsberuf Physiker:in“, beziffert der Mikrozensus mit 16 Prozent [2]. Die Daten der Bundesagentur erscheinen monatlich bzw. jährlich und beziehen sich lediglich auf die Gruppe „Erwerbsberuf Physiker:in“ aus dem Mikrozensus. Daten zu Arbeitslosen und offenen Stellen für „Physiker:innen“ erhält die DPG jährlich im Rahmen einer Sonderauswertung basierend auf den September-Zahlen des jeweils betrachteten Jahres. Die im Folgenden von der Bundesagentur angegebenen Zahlen zu den sozialversicherungspflichtig Beschäftigten beziehen sich immer auf das Ende des Kalenderjahres [3]. (...)

Seit Beginn der 2000er-Jahre ist der Bedarf an grundständig ausgebildeten Physik-Lehrkräften nicht mehr gedeckt [3 – 5]. Aktuelle Berechnungen der Länder weisen auf einen hohen und zukünftig weiter wachsenden Mangel qualifizierter Lehrkräfte hin. Zum Beispiel ergeben die Berechnungen für Nordrhein-Westfalen, dass sich bis 2030 nur 18 Prozent der frei werdenden Stellen in Physik besetzen lassen. Ursachen finden sich unter anderem in den stagnierenden bis sinkenden Studierendenzahlen sowie in den zu hohen Quoten von Studienabbrüchen und Studien­fachwechseln bei gleichzeitig steigenden Schülerzahlen. Für letztere wird derzeit die Schätzung aus dem Jahr 2021, dass bis 2035 ein Zuwachs um eine Million bzw. zehn Prozent erfolgt, eher nach oben korrigiert. 

Angesichts der dramatischen Lage stellt sich die Frage: Was tun? Viele Akteure, beherztes Anpacken und innovative Ideen sind gefragt. Quer- und Seiteneinstiegsprogramme ohne systematische universitäre Beteiligung finden als temporäre Notmaßnahmen immer mehr Verbreitung und in stetig wachsendem Umfang arbeiten studentische Vertretungslehrkräfte an Schulen. Beides beeinflusst die Unterrichtsqualität: Physikdidaktische Forschungsprojekte zeigen signifikante Unterschiede zwischen diesen Lehrkräften und regulär ausgebildeten in Bezug auf päda­gogisches Wissen, transmissive Lehr-Lern-Überzeugungen, das Wissenschaftsverständnis und die Offenheit für Erfahrungen [5, S. 15]. Wichtig ist daher vor allem die qualifizierte Ausbildung von Nachwuchslehrkräften in den Lehramtsstudiengängen. (...)