Physik Journal 8-9 / 2024

Jedes Jahr legt die Konferenz der Fachbereiche Physik (KFP) im Sommer ihre Studierendenstatis­tik vor. Wieder haben alle 59 universitären Physik-Fachbereiche Daten beigetragen, sodass der erhobene Datensatz nahezu vollständig ist – mit den üblichen Lücken vor allem bei den Lehramtsstudien­gängen. Der mit der Datenerhebung und -übermittlung verbundene Aufwand ist erheblich. Ein großer Dank gilt daher allen, die oft unter Mühen und immer mit großem Einsatz zu dieser Statistik beigetragen haben!

Sofern keine disruptiven äußeren Faktoren zu verzeichnen sind, verlaufen statistische Kurven über die Zeit meist einigermaßen stetig. So schließen die diesjährigen Zahlen auch gut an diejenigen des Vorjahres an. Nicht mehr zu übersehen ist allerdings die Tatsache, dass die Zahl der­jenigen, die sich neu in ein Physikstudium einschreiben, seit nunmehr vier Jahren deutlich fällt. Der dramatische Einbruch im Jahr 2021 ist im Zusammenhang mit der Corona-Pandemie zu sehen. Aber seitdem sind die Zahlen kontinuierlich immer weiter zurückgegangen. Auf die Zahl der Abschlüsse schlägt dieser Rückgang noch nicht klar durch, wenngleich dieses Jahr weniger Bachelorprüfungen zu verzeichnen waren als in den letzten zehn Jahren. 

Zum ersten Mal war auch die Sprache der Studiengänge Gegenstand der Erhebung – die Antworten bieten interessante Einsichten. (...)

Das Ziel, Quantensimulatoren zu realisieren, ist eng mit der Entwicklung von Quantencomputern verknüpft. Dabei sind generell analoge und digitale Quantensimulatoren zu unterscheiden (Abb. 1). Während der erste Ansatz versucht, ein gewünschtes Vielteilchen­modell direkt als synthetische Quantenmaterie zu realisieren, stellt der zweite Ansatz Berechnungen zu diesem System aus einer Sequenz diskreter Quantengatter zusammen. Der digitale Ansatz kann universell sein, erfordert jedoch erhebliche Ressourcen, bis hin zu einem voll fehlerkorrigierten Quantencomputer, dessen Realisierung noch in weiter Ferne liegt. Analoge Quantensimulationen sind auf experimentell realisierbare Systeme beschränkt, nutzen aber die zugrundeliegende Quantenhardware sehr effizient aus. Beide Typen der Quantensimulation haben sich als Hauptanwendungen jetziger Quantenrechner auf verschiedensten Plattformen von Atomen, Ionen, supraleitenden Qubits und photonischen Systemen etabliert. Neutrale Atome haben eine entscheidende Rolle in der Entwicklung dieses interdisziplinären Forschungsgebiets gespielt. Mit ihnen gelang es erstmals, die Quantensimulation stark wechselwirkender Vielteilchensysteme, basierend auf Ideen von Ignacio Cirac und Peter Zoller [1], zu demonstrieren und damit eine Brücke zur modernen Festkörperphysik zu schlagen [2, 3]. (...)

Die Physik lebender Systeme will die fundamentalen Prinzipien zellulärer Funktionen mithilfe physikalischer Ansätze entschlüsseln. Dabei werden zwei komplementäre Ansätze verfolgt. Der eine untersucht bio­logische Systeme als Ganzes mit phänomenologischen Methoden; der andere beschränkt sich auf minimale Systeme mit wenigen Komponenten. Gemäß Einsteins Motto „Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden, aber nicht einfacher“ versucht letzterer, biologische Prozesse auf ihren Kern zu reduzieren. Dies ermöglicht es, die bio­logische Komplexität durch eine Kombination aus experimenteller und theoretischer Analyse zu entwirren und zu verstehen. Dabei ergeben sich mehrere Fragen: Wie weitreichend ist ein solcher reduktionistischer und minimalistischer Ansatz? Auf welcher Ebene erlaubt er es, die physikalischen Prinzipien hinter den komplexen zellulären Funktionalitäten zu verstehen? Ermöglicht dieses Wissen die Entwicklung von Systemen mit lebensähnlichen Eigenschaften oder sogar von künstlichen Zellen? (...)

Schon im Mittelalter dienten einfache Linsen als eine Art Brille dazu, das Sehvermögen zu korrigieren. Mikroskop-Optiken haben seit Antonie van Leeuwenhoek im 17. Jahrhundert sowie Carl Zeiss und Ernst Abbe im 19. Jahrhundert geholfen, die Mikrowelt zu erschließen und Krankheitserreger zu entdecken. Mit dem holländischen Teleskop entdeckte Galileo Galilei zu Beginn des 17. Jahrhunderts die Jupitermonde und etablierte damit unser heliozentrisches Weltbild. Joseph von Fraunhofer gelang es im 19. Jahrhundert, das erste achromatische Objektiv zu bauen. Carl Zeiss und Ernst Abbe variierten zusammen mit Otto Schott systematisch die Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien, um Gläser mit verschiedenen Brechungsindizes und Dispersionen und damit höchst qualitative Mikroskop­objektive für die Medizin herzustellen. 

Das 20. Jahrhundert war ein Jahrhundert des Photons, in dem komplexe Kameraobjektive mit 20 Linsen oder mehr für beste Bilder in sehr großen Distanzen mit Teleobjektiven oder in der Nähe mit Makro- und Weitwinkel­objektiven sorgten. Dank neuer Schleiftechniken gelang es, die Teleskop- und Mikroskopoptiken zu perfektionieren. Nicht nur sphärische Linsen- oder Spiegelformen waren zugelassen, sondern auch Asphären wie Paraboloide, Ellip­soide oder gar Freiformflächen, die nicht zwingend rotationssymmetrisch waren. Dies ermöglichte Teleskope, die bis ins Zentrum der Milchstraße blicken ließen, oder Mikros­kopoptiken für Belichtungsobjektive in der Halbleiter-Litho­graphie. Heutzutage sorgen miniaturisierte Optiken in Smartphones für Fotos, für die vor 20 Jahren noch teure Hochleistungskameras und Objektive nötig waren. Die kleinsten Optiken sind nur wenige Millimeter groß und kommen in den Frontkameras für Selfies zum Einsatz oder in Sensoren für die Gesichtserkennung. (...)

Ein molekularer Spinschalter ist ein einzelnes Molekül, das mehrere stabile Konformationen – also Spinzustände – aufweisen kann. Externe Stimuli können Übergänge zwischen diesen Zuständen auslösen. Die einzelnen Spinzustände sind die Folge unterschiedlicher elektronischer Besetzungen der Molekülorbitale mit unterschiedlicher Anzahl von Spin-up- und Spin-down-Elektronen. Die verschiedenen Zustände eines molekularen Schalters besitzen daher nicht nur unterschiedliche magnetische Momente, sondern auch unterschiedliche elektronische, optische, strukturelle und mechanische Eigenschaften. Das Schalten kann somit eine Vielzahl physikalischer Eigenschaften beeinflussen und führt zu verschiedenen Auslese- und Auslösemöglichkeiten. In Verbindung mit der geringen Größe der Moleküle (typisch 1 × 1 × 1 nm3), die für die Miniaturisierung essenziell ist, ist diese Klasse von Systemen für zahlreiche potenzielle Anwendungen attraktiv, etwa Sensoren, Datenspeicherung und -verarbeitung sowie intelligente Pigmente. (...)

Die grundlegende Idee der Spintronik besteht darin, neben der Ladung e des Elektrons mit dessen Spin s eine weitere quantenmechanische Eigenschaft zu nutzen. Der Spin entspricht klassisch betrachtet dem Eigendrehimpuls des Elektrons und ist mit dessen magnetischem Moment verbunden. Die quantenmechanische Natur des Spins führt zu zwei diskreten Einstellmöglichkeiten: auf oder ab. 

Ein Transportkoeffizient beschreibt die Antwort eines Systems auf eine äußere Kraft. Der Widerstand R ist einer der einfachsten Transportkoeffizienten. Er verbindet im Ohmschen Gesetz R = U/I die Spannung U und den Strom I. (...)

Internal rotors are molecules containing an atom or a group of atoms that can rotate through a torsional angle α relative to the other parts of the molecule. This motion is hindered by a potential barrier, so the internal rotation is not “free” (Fig. 1). Internal rotation or torsion is called Large Amplitude Motion (LAM) because the internally rotating group of atoms moves far away from equilibrium positions compared to the bond lengths. 

V(α) is the internal rotation potential function (Fig. 1), which has a 2π/3 periodicity for a methyl rotor top (–CH3). It can be expressed in the following Fourier series in terms of the torsional angle α, the leading term V3 is called the height of the barrier [1, 2]: (...)

Der milq-Ansatz (vgl. milq.info) wird seit Ende der 1990er-Jahre mit dem Ziel entwickelt, die modernen Aspekte der Quantenphysik für den Physik­unterricht zu erschließen und den Schülerinnen und Schülern einen zeitgemäßen Einblick in das Weltbild der modernen Physik zu vermitteln [3 – 5]. Ziel ist es, die Anders­artigkeit der Quantenphysik im Vergleich zur klassischen Physik hervorzuheben: So sollen vor allem diejenigen Aspekte der Quantenphysik im Vordergrund stehen, die einen radikalen Bruch mit den klassischen Konzepten bedeuten. Dazu gehören insbesondere die bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation, die eine Abkehr vom klassischen Determinismus mit sich bringt, und Superpositionszustände, in denen man Quanten­objekten nicht mehr bestimmte klassisch wohldefinierte Eigenschaften wie Ort, Bahn oder Energie zuschreiben kann. (...)

Im Jahr 2023 lag der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung in Deutschland bei weit über 50 Prozent – 2003 waren es noch acht Prozent gewesen. Um zukünftig unseren Strombedarf vollständig aus erneuer­baren Energien decken und auch die Sektoren Transport, Industrie und Gebäude klimaneutral versorgen zu können, muss sich diese Entwicklung fortsetzen. Dafür ist es notwendig, vor allem Windkraft- und Solaranlagen beschleunigt auszubauen sowie diese Technologien kontinuierlich weiterzuentwickeln.

Die Photovoltaik gilt unter den zahlreichen möglichen und notwendigen Maßnahmen zum Schutz des Klimas als eine Lösung, die sofort und kostengünstig einsetzbar ist und zudem mit vielen der langfristigen Ziele der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung im Einklang steht. (...)

The direct detection of gravitational waves in 2015 [1] was among the most important discoveries in fundamental physics in recent decades and a proof of one of the fundamental predictions of General Relativity (GR). The signal was observed by the two underground LIGO detectors in Hanford and in Livingston (Fig. 1); the comparison of the data in the bottom plot demonstrates that both detectors witnessed the same event. At least two detectors operating simultaneously are needed to confirm the detection because these instruments are so sensitive that various noises might contaminate the signal, such as seismic activities or even animals walking on the ground above the detector. In addition, it is very important that the observed signal matches the theoretical prediction very well. This is a confirmation that the observed gravitational wave event is a merger of two compact objects with spacetime curvature in their vicinity reaching extreme values. Even though a number of exotic scenarios cannot be excluded, the most probable one is that these were two colliding black holes. (...)

An electronic device is called nonreciprocal if its characteristics depend on the polarity of the applied bias. The most obvious example is the diode, one of the fundamental devices in semiconductor electronics. A diode shows high resistance when reverse-biased, and low resistance when forward-biased (Fig. 1a, b). The distinction between forward and reverse bias depends on the broken symmetry between the two terminals of the diode. In a pn-junction diode, such spatial symmetry breaking occurs at a macroscopic scale: one terminal is a p-type doped semi­conductor, while the other one is n-doped. In addition to the spatial symmetry breaking, the two directions of time must be distinguishable to obtain nonreciprocity: if the current flow is a reversible process, the charge transport in the two directions must be equivalent. In the case of a semiconducting diode, charge transport in one direction dissipates heat and is thus irreversible. In principle, homogeneous and symmetric superconducting devices doubly protect reciprocity: the two terminals (source and drain) are indistinguishable because of the symmetry in space, while the absence of dissipation leads to a time reversal symmetry that renders the transport in the two directions equivalent. Thus, the realization of the first nonreciprocal supercurrent device, the φ0-Josephson junction, relied on the simultaneous breaking of space-inversion and time-reversal symmetry [1]. (...)

Allein in Deutschland finden jedes Jahr etwa 200 000 Hüft-Operationen statt. Eine künstliche Hüfte verleiht wieder Beweglichkeit und Lebensqualität. Doch in mehr als zehn Prozent der Fälle lockert sich die eingesetzte Hüftprothese schon in den ersten 15 Jahren nach der Implantation wieder [1]. Bei einer solchen Lockerung bildet sich zwischen Knochen und Implantat ein dünner Weichgewebespalt, der weiter anwächst. Die Lockerung kann zum einen rein mechanisch bedingt sein. In dem Fall gelangen durch Mikrobewegungen zwischen Knochen und Implantat Abriebpartikel von der Prothesenoberfläche in die Knochen-Implantat-Schnittstelle und initiieren dort den Abbau des Knochens. Dadurch wandelt sich hartes, mineralisiertes Knochengewebe in weiches, deformierbares Bindegewebe um. Zum anderen kann eine Infektion in der Knochen-Implantat-Schnittstelle diesen Prozess auslösen. In diesem Fall bildet sich ein bakterieller Biofilm auf der Implantatoberfläche [2]. (...)