Physik Journal 3 / 2023

Die Angaben zu den Anteilen an aufgenommener Information durch die menschlichen Sinnesorgane schwanken meist zwischen etwa 81 und 87 Prozent für die Augen, 10 bis 11 Prozent für die Ohren und dem Rest für schmecken, riechen und tasten. Das Produktmarketing macht sich dies gezielt zunutze. Offensichtlich ist für alle subjektiven Wahrnehmungen unserer Umwelt das Auge sehr wichtig; in Bezug auf räumliche und zeitliche Auflösung sowie spektrale Empfindlichkeit ist es jedoch eingeschränkt. Die dadurch entstehenden Wahrnehmungsgrenzen für physikalische Vorgänge und Objekte lassen sich durch geeignete optische Geräte mit – das Auge ersetzenden – Sensoren in Kamerasystemen überwinden (Abb. 1). Dies erhöht die Zahl beobachtbarer technischer und natürlicher Phänomene und den daraus gewonnenen Informationsgehalt deutlich. Da entsprechende Kameras relativ preiswert sind und sich damit viele einfache Experimente erfolgreich demonstrieren lassen, kann ein gezielter Einsatz die Lehre der Physik an Schulen und in einführenden Vorlesungen an Hochschulen bereichern und den Einstieg in verwandte Gebiete wie die Infrarotastronomie vorbereiten. (...)

Welche Schritte haben Sie nach Kriegsbeginn unternommen? 
Nach dem Überfall auf die Ukraine haben wir im DESY-Management schnell reagiert und im März einen eigenen Sanktionskatalog entworfen. Allgemein ging es darum, alle Kooperationen mit russischen Organisationen zu stoppen, obwohl das leider auch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler betrifft. Der Katalog beinhaltet aber mehrere Aspekte.

Nämlich? 
Zunächst einmal alle Forschungskooperationen zu be­enden, aber auch gemeinsame Publikationen, an denen russische Organisationen beteiligt sind. Darüber hinaus beteiligen wir uns nicht an Konferenzen oder Workshops, an denen russische Organisationen mitwirken. Über kritische Publikationen entscheidet das Direktorium. Wir wollen unseren Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern nicht schaden, aber uns ist bewusst, dass solche Entscheidungen auch Kollateralschäden nach sich ziehen.  

Stehen Ihre Mitarbeitenden hinter diesen Entscheidungen? 
Natürlich gab es am Anfang Gesprächsbedarf, weil die Einschnitte gravierend waren. Außerdem ist DESY bekannt für Wissenschaftsdiplomatie. In Zeiten des Eisernen Vorhangs waren wir eines der wenigen Zentren mit Kooperationen, die unterhalb des politischen Radars stattfanden. Wir haben damals zur DDR, zu Russland oder Armenien viele Kontakte gehalten und die Forschenden dort unterstützt. Aber ein Angriffskrieg, wie Russland ihn seit Februar 2022 führt, ist etwas anderes. (...)
 

Basis des Clusters ist die enge Beziehung zwischen Mathematik und Physik sowie Computational und Data Sciences in Heidelberg, befördert unter anderem durch die Heidelberger Partnerschaft Mathematik-Physik, das interdisziplinäre Zentrum für wissenschaftliches Rechnen (IWR) und das European Institute for Neuromorphic Computing (EINC). Eine breit gefächerte Gruppe von Wissenschaftler:innen aller Karrierestufen traf sich in einem wöchentlichen „Jour fixe“, um diese Zusammenarbeit noch weiter auszubauen, und bildete so den Keim des Clusters STRUCTURES. Analysis, Geometrie und Topologie, universelle Konzepte und Methoden der theo­retischen Physik, moderne Algorithmik und innovative experimentelle Realisierungen für analoge Rechner werden im Cluster kombiniert, um konkrete Fragen der Strukturbildung und -erkennung quantitativ zu beantworten und unser allgemeines Verständnis emergenter Phänomene und Strukturen zu vertiefen.

„Das ist eine wirklich interdisziplinäre Sache“, sagt Manfred Salmhofer vom Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg, einer der drei Sprecher des Clusters. Er forscht in den Bereichen theoretische und mathematische Physik sowie der Physik komplexer Systeme. „Ohne unser Zutun sind wir mittlerweile auf drei Fakultäten verteilt, denn 2021 wurde an der Universität ­eine ingenieurwissen­schaftliche Fakultät gegründet“. Deren Schwerpunkte liegen in technischer Informatik, wissenschaftlichem Rechnen, molekularer Biotechnologie und Pharmazie. (...)
 

Zwei Größen bestimmen im Wesentlichen die Leis­tungsfähigkeit eines Beschleunigers für die Hoch­energiephysik: die erreichbare Kollisionsenergie und die Luminosität – ein Wert, der angibt, wie viele Kollisionen pro Fläche und Zeit auftreten können. Die Inbetriebnahme des Large Hadron Collider (Abb. 1) begann Ende 2009 mit einer Strahlenergie von 450 GeV. Mit dieser Injektionsenergie füllt das Super Proton Synchrotron (SPS) den LHC mit Protonenpaketen. Diese bewegen sich im Tunnel in umgekehrter Richtung in zwei Ringen, die einen Abstand von 19,4 Zentimetern besitzen (Abb. 2). An vier Kreuzungspunkten können die Teilchen nahezu frontal aufeinanderstoßen, wobei die doppelte Strahlenergie als Kollisionsenergie erreicht wird. Im März 2010 kollidierten am LHC Protonenstrahlen mit 2 × 3,5 TeV = 7 TeV, was den bisherigen Rekord von 1,96 TeV, aufgestellt am Tevatron des Fermilab (Illinois, USA), deutlich übertraf. 

Danach schritt am LHC die Leistungsfähigkeit schnell voran [2]: Für die höhere Luminosität sorgten mehr Teilchenpakete in den Ringen und kleinere Strahlgrößen an den Kreuzungspunkten. Das Tevatron stellte am 30. September 2011 den Betrieb ein; zu diesem Zeitpunkt lieferte der LHC bereits fast zehnmal mehr Luminosität als das Tevatron. Die erfolgreiche Beschleunigerentwicklung am LHC krönten die beiden großen Experimente ATLAS und CMS am 4. Juli 2012 durch den experimentellen Nachweis des Higgs-Bosons. (...)
 

Aus wertlosen Metallen Gold zu machen – das ist ein alter Menschheitstraum. Ausgehend von den Alchemisten des Mittelalters kristallisierte sich daraus die wissenschaftliche Methode von Versuch und Irrtum, wodurch im 17. und 18. Jahrhundert die moderne Chemie aus der Alchemie entstand. Im 21. Jahrhundert hat das Gold seinen Status zugunsten neuer „Quantenmateria­lien“ eingebüßt, die einmal in grünen Technologien oder Quantenanwendungen zum Einsatz kommen sollen. Quantenmaterialien sind Festkörper, in denen es durch elektronische Korrelationen, Topologie oder beides interessante Phasendiagramme gibt. Diese Phasendiagramme enthalten thermische Materialzustände, die durch thermodynamische Variablen wie Druck, chemische Zusammensetzung oder Temperatur zu kontrollieren sind. 

Eine weitere Möglichkeit, um Materialzustände zu ändern, bieten Laserpulse. Im Gegensatz zu den Gleich­gewichtsphasendiagrammen bringt eine Laseranregung das Material jedoch weg vom thermischen Gleichgewicht, da der Laser dem System Energie zuführt. Die Idee von lichtgetriebenen Materialzuständen besteht nun darin, dass diese zusätzliche Energie auf kurzen Zeitskalen (1 Femtosekunde = 10–15 Sekunden) nicht das Material aufheizt, also die Temperatur erhöht, sondern etwa kohärent dessen elektronische Struktur verändert. Dadurch lassen sich neue Zustände stabilisieren, die im Gleichgewicht nicht existieren oder die sonst instabil wären. (...)