Physik Journal 8-9 / 2024

Cover

Mit 3D-Druck lassen sich winzige Linsen drucken, die hier einen Durchmesser von nur 1 mm besitzen. Sie können als Objektiv dienen, das direkt auf das Coverglas eines CMOS-Bildsensors geklebt wird (Bild: Moritz Flöss, U Stuttgart, und Simon Thiele, Printoptix GmbH, vgl. S. 51).  


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Meinung

Ein Weckruf für den KlimaschutzPatrick Cramer9/2024Seite 3

Ein Weckruf für den Klimaschutz

Nur gemeinsam können die Länder der Erde den Klimawandel aufhalten.

Aktuell

Kerstin Sonnabend9/2024Seite 6DPG-Mitglieder

Später starten mit mehr Dynamik

Beim Fusionsexperiment ITER hat nicht mehr ein frühzeitiges „First Plasma“ höchste Priorität,
sondern der „Start of Research Operations“.

Alexander Pawlak9/2024Seite 7DPG-Mitglieder

Die Hoffnungsträgerrakete

Die neue europäische Trägerrakete Ariane 6 hat erfolgreich ihren ersten Start absolviert.

Alexander Pawlak9/2024Seite 8DPG-Mitglieder

Zurück von der Rückseite des Mondes

China bringt mit Chang’e 6 erstmals Gesteinsproben von der erdabgewandten Seite des Mondes auf die Erde.

Maike Pfalz / FRM II9/2024Seite 10DPG-Mitglieder

Rechtmäßig betrieben

Der Bayerische Verwaltungsgerichtshof hat den rechtmäßigen Betrieb des FRM II bestätigt.

Alexander Pawlak9/2024Seite 10DPG-Mitglieder

Anziehungspunkt für KI-Kompetenz

Das erste „ELLIS Institute“ in Tübingen soll das Zusammenwachsen europäischer KI-Forschung vorantreiben.

Maike Pfalz / GSI9/2024Seite 11DPG-Mitglieder

Installation in der Tiefe

Anfang August begann die Installation der ersten Magnete der FAIR-Beschleunigeranlage.

Anja Hauck9/2024Seite 11DPG-Mitglieder

Schneller zum festen Job

Das Bund-Länder-Programm zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses erhält gute Noten.

Maike Pfalz / Leibniz-Gemeinschaft9/2024Seite 12DPG-Mitglieder

Mit guten Noten versetzt

Die Evaluation des Leibniz-Instituts für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik fällt sehr gut bis exzellent aus.

Kerstin Sonnabend9/2024Seite 12DPG-Mitglieder

Hintergrundrauschen

Absolut ist im Mittel relativ

Maike Pfalz / HIPOLE9/2024Seite 13DPG-Mitglieder

Materialien für die Energiewende

Mitte Juni wurde das Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen in Jena eröffnet.

Kerstin Sonnabend9/2024Seite 13DPG-Mitglieder

Verstetigung erwünscht

Die Leibniz-Gemeinschaft setzt sich mit einem Positionspapier für die dauerhafte Förderung der Nationalen Forschungsdateninfrastruktur (NFDI) ein.

Maike Pfalz9/2024Seite 14DPG-Mitglieder

Erinnerung und erneute Warnung

30 Nobelpreisträger:innen aus Physik und Chemie unterzeichneten die „Mainauer Deklaration 2024 gegen Atomwaffen“.

Kerstin Sonnabend9/2024Seite 14DPG-Mitglieder

Trägheitsfusion verstehen

Die Universität Rostock und das ­Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf wollen dafür ein Institut gründen.

Kerstin Sonnabend9/2024Seite 15DPG-Mitglieder

Quantenschlüssel aus dem Orbit

Der Forschungssatellit QUBE soll es ermöglichen, Schlüssel für eine abhörsichere Kommunikation weltweit zu verteilen.

Alexander Pawlak / Stadt Ulm9/2024Seite 16DPG-Mitglieder

Alberts Anverwandte

Ein Museum in Ulm widmet sich den vielfältigen Schicksalen der Familie Einstein.

Alexander Pawlak / DLR / ESA9/2024Seite 17DPG-Mitglieder

Mit Abbremsen zu neuem Schwung

Die ESA hat mit der Jupitermond-Sonde Juice erstmals ein Flugmanöver an Mond und Erde vorbei absolviert.

Matthias Delbrück9/2024Seite 18DPG-Mitglieder

Machtwechsel in Mexiko

Die neu gewählte Präsidentin ist Physikerin und setzt Akzente für die Wissenschaft.

Matthias Delbrück9/2024Seite 18DPG-Mitglieder

Gut beraten

Spanien installiert ein wissenschaftliches Expertengremium.

Matthias Delbrück9/2024Seite 19DPG-Mitglieder

Mit mehr Geld zur Supermacht?

Die wiedergewählte indische Regierung erhöht das Forschungsbudget.

Matthias Delbrück9/2024Seite 20DPG-Mitglieder

USA: Mehr (Röntgen-)Licht; Kernfusion kommerzialisieren; Ausgebremste Wissenschaft?

Leserbriefe

Roland Diehl9/2024Seite 21DPG-Mitglieder

Gegen das Gesetz

Nils Mahnke9/2024Seite 21DPG-Mitglieder

Bildung wird abgebaut

High-Tech

Michael Vogel9/2024Seite 22DPG-Mitglieder

Passiv das Umfeld erkennen / Geglückte Integration / Zeit für Satelliten / Sichere Lebensmittel

Brennpunkt

Präzise eingefangenMagnus Schlösser und Kathrin Valerius9/2024Seite 24DPG-Mitglieder

Präzise eingefangen

Die Massenspektrometrie mit Penning-Fallen legt die Grundlage, um die Neutrinomasse mithilfe des Zerfalls von 163Ho zu bestimmen.

Auf den Punkt gebrachtKerstin Sonnabend9/2024Seite 26DPG-Mitglieder

Auf den Punkt gebracht

Drei Muskeln reichen; Wie Fische gerichtet hören; Hohe Töne ohne ­pfeifen; Fusion hybrid gedacht; Toxisches Eisen finden; Präzise wie nie; Spaltung besser verstehen; Elektronen nach Maß; Zu viele Deuteronen

Bildung und Beruf

Fewer Students – more EnglishGeorg Düchs und Erich Runge9/2024Seite 29DPG-Mitglieder

Fewer Students – more English

Statistiken zum Physikstudium in Deutschland 2024

Während die Zahl der Bachelorstudierenden in der Physik weiter zurückgeht, nimmt die Zahl der Studierenden in Masterstudiengängen eher zu. Dies dürfte auch damit zusammenhängen, dass Masterstudiengänge zunehmend für internationale Studierende attraktiv sind: In mehr als der Hälfte von ihnen ist Englisch die Hauptunterrichtssprache.

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. (...)

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DPG-Preise

Ultrakalt simuliertImmanuel Bloch9/2024Seite 36DPG-Mitglieder

Ultrakalt simuliert

Komplexe quantenmechanische Systeme lassen sich mit ultrakalten Atomen untersuchen.

Quantensimulationen mit ultrakalten Atomen haben sich in den letzten Jahren als eine vielversprechende Methode etabliert, um komplexe quantenmechanische Systeme zu untersuchen. Mit ihrer Hilfe lassen sich maßgeschneiderte Quantenmodelle realisieren und ihr Verhalten unter kontrollierten Bedingungen studieren. Dieser Artikel beleuchtet die grundlegenden Konzepte und einige der experimentellen Fortschritte in diesem interdisziplinären Forschungsfeld. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den jüngsten Durchbrüchen, die neue Einblicke in die Physik der kondensierten Materie, des Quantenmagnetismus und der Vielteilchen­systeme ermöglicht haben. Die Kombination von präziser Kontrolle und vielseitigen Einsatzmöglichkeiten liefert dabei grundlegend neue Einsichten zu Vielteilchen-Quantensystemen.

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]. (...)

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Die Physik lebender SystemeErwin Frey9/2024Seite 43DPG-Mitglieder

Die Physik lebender Systeme

Physikalische Prinzipien und emergente Phänomene

Die physikalischen Eigenschaften bio­logischer Zellen oder zellähnlicher Systeme zu erforschen, gehört zu den spannendsten Herausforderungen der Wissenschaft. Die enorme Komplexität lebender Systeme erfordert neue theoretische Konzepte und Ansätze und birgt gleichzeitig eine Fülle faszinierender emergenter Phänomene und Gesetz­mäßigkeiten, die es zu entdecken und zu verstehen gilt.

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? (...)

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Optiken im MiniaturformatHarald Giessen9/2024Seite 51DPG-Mitglieder

Optiken im Miniaturformat

Mittels 3D-Druck lassen sich komplexe Mikrooptiken herstellen.

Optische Technologien spielen für eine Fülle von Anwendungen eine wichtige Rolle. Die dafür eingesetzten Optiken haben eine rasante Entwicklung genommen – bis hin zu mikrometerkleinen Bauteilen, die sich mittels 3D-Druck herstellen lassen und die etwa per Glasfaser bis in die Zahnwurzel gelangen können.

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. (...)

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Oberflächlich geschaltetManuel Gruber9/2024Seite 55DPG-Mitglieder

Oberflächlich geschaltet

Verschiedene Spinzustände einzelner Moleküle an Oberflächen lassen sich gezielt schalten und für unterschiedliche Anwendungen nutzen.

Molekulare Spinschalter sind seit fast hundert Jahren bekannt. Ihre Reaktion auf verschiedene Anregungen sowie die durch das Schalten veränderbaren physikalischen Eigen­schaften machen sie für ein breites Spektrum von Anwendungen attraktiv. Vor kurzem gelang es, einzelne Moleküle kontrolliert zu manipulieren, um damit den Einfluss der lokalen Umgebung auf das Schalten zu verstehen. In der interdisziplinären Zusammenarbeit von Chemie und Physik lassen sich Spinschalter, die auf unterschiedlichen Mechanismen beruhen, entwerfen, synthetisieren und an Oberflächen erproben.

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. (...)

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Mehr als ein Hall-EffektIngrid Mertig9/2024Seite 59DPG-Mitglieder

Mehr als ein Hall-Effekt

Transversale Transportkoeffizienten ergeben sich auch für Spin und orbitales Moment.

Peter Grünberg und Albert Fert haben 1988 durch die Entdeckung des Riesenmagnetwiderstandes (GMR-Effekt) die Spintronik begründet [1, 2] und erhielten dafür gemeinsam 2007 den Nobelpreis. Das Gebiet erlebte einen enormen Aufschwung durch die Anwendung des GMR-Effektes in der Speichertechnologie: 1997 brachte IBM die erste darauf basierende Festplatte auf den Markt. Das Gebiet floriert weiterhin, was neue Effekte kontinuierlich speisen.

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. (...)

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Spectroscopy of moleculesIsabelle Kleiner9/2024Seite 63DPG-Mitglieder

Spectroscopy of molecules

The study of molecules with large amplitude motions takes us on a journey from molecular structure to astrophysics.

Spectroscopy allows us to use light to explore, detect and quantify molecules in the interstellar medium, in the atmospheres of planets and exoplanets, in comets, stars, and so on. Spectroscopy also makes it possible to determine the three-dimensional structure of complex molecules and of molecules that form the building blocks of biological molecules (biomimetics). Gas phase spectroscopy gives information about intramolecular dynamics occurring in molecules.

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]: (...)

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Im Kontext der QuantenRainer Müller9/2024Seite 67DPG-Mitglieder

Im Kontext der Quanten

Wie sich die Wesenszüge der Quantenphysik in der Schule unterrichten lassen.

In Deutschland hat die Quantenphysik – anders als in vielen anderen Ländern – eine jahrzehntelange Tradition im Physikunterricht der Oberstufe. Die fach­didaktische Forschung auf diesem Gebiet ist im internationalen Vergleich gut entwickelt und sehr aktiv. In den letzten 30 Jahren entstanden Unterrichtskonzepte, die an Schülervorstellungen und Lernschwierigkeiten orien­tiert und empirisch validiert sind [1, 2]. Dieser Artikel behandelt den milq-Ansatz zur Quantenphysik.

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. (...)

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Optimiertes WachstumJuliane Borchert9/2024Seite 72DPG-Mitglieder

Optimiertes Wachstum

Perowskite besitzen hervorragende Eigenschaften für Anwendungen wie Solarzellen.

Für die Energiewende spielen in Deutschland Wind- und Solarenergie eine wichtige Rolle. Die Entwicklung im Bereich der Photovoltaik geht rasant voran – für weitere Optimierungen rücken nun neue Materialien und Konzepte in den Fokus. Als neuartiges Halbleitermaterial haben Halogenid-basierte Perowskite viel Aufmerksamkeit erlangt. Für ihren Einsatz in Solarzellen gilt es allerdings zunächst, ihre Herstellung zu optimieren.

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. (...)

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Enlightening the dark universeDaniela Doneva9/2024Seite 76DPG-Mitglieder

Enlightening the dark universe

Gravitational waves promise to shed light on fundamental physics through observations of dark compact objects.

Gravitational waves provide a unique window into the most cataclysmic events in the universe, from the Big Bang to black hole mergers. They complement traditional electromagnetic astronomy and, in addition, reveal phenomena that were previously hidden from our view.

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. (...)

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Supercurrent diodesNicola Paradiso9/2024Seite 81DPG-Mitglieder

Supercurrent diodes

How dissipationless currents can be rectified and why this is interesting.

Semiconducting diodes are fundamental cornerstones of conventional electronics. Rectification, their defining feature, is based on a macroscopic asymmetry between two differently doped terminals. Recent experiments have shown that it is possible to obtain rectification in homogeneous superconductors where the two terminals are apparently indistinguishable. To do so, spatial symmetry is broken at a microscopic scale and, in addition, a magnetic field acting on electron spins breaks time-reversal symmetry . The result is a new phenomenon promising a crucial impact on both fundamental research and applications in devices.

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]. (...)

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Hüftschäden quantifizierenJan Lützelberger9/2024Seite 85DPG-Mitglieder

Hüftschäden quantifizieren

Ein interferometrisches Ultraschallverfahren bietet das Potenzial, frühzeitig zu erkennen,
ob sich eine Hüftprothese lockert.

Künstliche Hüftgelenke sind in einer alternden Gesellschaft weit verbreitet. Doch häufig lockert sich die Hüftprothese mit der Zeit. Etablierte klinische Diagnose­techniken wie die Projektions­radiographie erlauben es nicht, eine solche Lockerung und deren Ursache zuverlässig im Frühstadium zu erkennen. Ein spezielles Ultra­schall-Messverfahren kann die Knochen-Implantat-Schnittstelle aber präzise quantitativ charakterisieren und ermöglicht damit, eine Lockerung früh zu entdecken.

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]. (...)

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Physik im Alltag

Die Lebensadern des DatenhighwaysMichael Vogel9/2024Seite 88DPG-Mitglieder

Die Lebensadern des Datenhighways

Der Großteil des Internetverkehrs verläuft auf dem Meeresgrund. Dort verlegte optische Untersee-Glasfaserkabel übertragen gewaltige Datenmengen.

Menschen

Maike Pfalz9/2024Seite 0DPG-Mitglieder

„Davon erzählen die Schüler noch in 50 Jahren!“

Interview mit Andreas Becker

9/2024Seite 92DPG-Mitglieder

Personalien

Carsten Dubs, Manfred Jurisch und Rocco Holzhey9/2024Seite 98DPG-Mitglieder

Nachruf auf Peter Görnert

Ulrich Wiedner9/2024Seite 99DPG-Mitglieder

Nachruf auf Helmut Koch

Roland Diehl, Jochen Greiner und Joachim Trümper9/2024Seite 100DPG-Mitglieder

Nachruf auf Volker Schönfelder

H.-J. Galla, W. Knoll, J. P. Rabe, H. Gaub, ­C. A. Helm, C. Schmidt, R. Tampé, T. Bayerl, R. Merkel, J. Rädler, J. Käs, ­H. Strey, M. Fritz, M. Radmacher, I. Weiß, M. ­Tanaka, A. Bausch, A.-S. Smith, A. Zidovska, F. ­Rehfeldt und K. Sengupta9/2024Seite 101DPG-Mitglieder

Zum Gedenken an Erich Sackmann

Rezensionen

Bernd Jähne9/2024Seite 102DPG-Mitglieder

Ulrich Teubner und Hans Josef Brückner: Optical ­Imaging and Photography

Kerstin Sonnabend9/2024Seite 102DPG-Mitglieder

Philip Ball: Experimente

Alexander Pawlak9/2024Seite 103DPG-Mitglieder

Robert Stockhammer: Welt – Erde – Globus.

DPG

9/2024Seite 28DPG-Mitglieder

Highlights der Physik 2024

9/2024Seite 42DPG-Mitglieder

47. DPG-Tagung Forschung – Entwicklung – Innovation

9/2024Seite 50DPG-Mitglieder

German Young Physicists’ Tournament

9/2024Seite 91DPG-Mitglieder

Physikerin der Woche

Jahresbericht der DPG9/2024Seite 105DPG-Mitglieder

Jahresbericht der DPG

9/2024Seite 122DPG-Mitglieder

DPG-Nachwuchspreis für Beschleunigerphysik

9/2024Seite 123DPG-Mitglieder

Wissenschaft für alle – wie geht das?; Orientierungs­hilfe in der Promotion; Grundlagenforschung über Grenzen hinweg; Vom Problem zur Skizze; Konflikte managen

9/2024Seite 127DPG-Mitglieder

Vorläufige Tagesordnung der Sitzung des Vorstandsrats der DPG

9/2024Seite 128DPG-Mitglieder

DPG-Frühjahrstagungen 2025

9/2024Seite 131DPG-Mitglieder

Kommunikationsprogramm 2025 der WEH-Stiftung

9/2024Seite 133DPG-Mitglieder

Satzung der DPG

Notizen

9/2024Seite 132DPG-Mitglieder

Notizen

Tagungen

Ulrike Feudel, Syamal Dana und Klaus Lehnertz9/2024Seite 144DPG-Mitglieder

Extreme Events: Identification, Analysis and Prediction

808. WE-Heraeus-Seminar

Katharina Kaiser, Stefania Moro und Luis Parra López9/2024Seite 144DPG-Mitglieder

Functional Materials at Surfaces – Fabrication, Atomic-scale Characterization, and Advances Towards Application

809. WE-Heraeus-Seminar

Theo Geisel, Hugues Chaté9/2024Seite 144DPG-Mitglieder

Physics of Complex Systems and Global Change

Französisch-deutsches WE-Heraeus-Seminar

Tagungskalender

9/2024Seite 145DPG-Mitglieder

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