Physik Journal 9 / 2025

Aua, du hast mir ein Haar ausgerissen!“ Das klingt wie ein typischer Streit unter Geschwistern – und könnte es auch sein, wenn ich mich mit meinen beiden Kindern nicht gerade im PhotonLab befände. Hier im Schüler­labor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching stehen rund 20 Experimente zur Optik, Photonik und Quantenphysik, die sich an Kinder ab der 9. Klasse richten. Manche davon eignen sich aber auch schon für jüngere Kinder wie meine 12-jährige Tochter. Einer der Versuche erlaubt es, die Haardicke zu bestimmen. Und genau das wollen meine Kinder nun ausprobieren, um herauszufinden, wer die dickeren Haare besitzt. Dazu zielt man mit dem Laser auf ein einzelnes Haar und beobachtet auf dem Schirm ein Beugungsmuster, aus dem sich die Haardicke ablesen lässt. So dient das gegenseitige Haareraufen in diesem Fall tatsächlich einem guten Zweck! (...)

Heute lassen sich die Massen und g-Faktoren einzelner oder weniger exotischer Ionen in einer Penning-Falle hochpräzise messen. Dazu gilt es, die Ionen in der Falle zu speichern und zu kühlen, also ihre kinetische Energie zu reduzieren. Anwendungen für präzise Massendaten gibt es unter anderem in der Kern- und Neutrinophysik, bei der Bestimmung von Fundamentalkonstanten und Tests der Quantenelektrodynamik in gebundenen Zuständen sowie beim genauen Vergleich der Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen.

Die im Folgenden vorgestellten Experimente konzentrieren sich nahezu ausschließlich auf geladene Teilchen, die unter normalen Bedingungen in der Natur nicht vorkommen oder nur in sehr geringen Mengen vorliegen. Zu diesen exotischen Ionen gehören Radionuklide: die radioaktiven Isotope von Elementen, die durch Kernspaltung oder Kernreaktionen entstehen. Solche Ionen stehen zum Beispiel an der ISOLDE-Anlage am Europäischen Kernforschungs­zentrum CERN in Genf oder am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt zur Verfügung. (...)

Als Startpunkt der modernen Quanteninformationstheorie können das Teleportationsprotokoll (1992) und die Dichte-Kodierung (1991) gelten, an denen jeweils Charles Bennett maßgeblich beteiligt war, sowie der Faktorisierungsalgorithmus von Peter Shor (1994). Diese Geschichte ist verschiedentlich erzählt worden [1]. Hier möchte ich stattdessen der Vorgeschichte auf der physikalischen Seite nachgehen, die dazu führte, dass die benötigten theoretischen Konzepte und mathematischen Strukturen zu Beginn der 1990er-Jahre schon vorlagen. Ich folge dabei weitgehend meinem Preisträgervortrag, den ich anlässlich der Verleihung der Max-Planck-Medaille am 13. März 2025 gehalten habe.

Operationale Quantentheorie

Zu den erklärten Zielen des jungen Werner Heisenberg gehörte es, die gesuchte neue Quantentheorie ganz auf be­o­bachtbare Größen aufzubauen. Das war an sich keine neue Idee, sondern durchaus gängig in der Gruppe um Max Born [2]. Als Prototyp solcher Überlegungen galt für Born Einsteins Analyse der Gleichzeitigkeit [3]. Einstein fixierte ­diesen Begriff durch ein Messverfahren, das aber unter ­neuen Bedingungen (Konstanz der Lichtgeschwindigkeit) zu einer­ Abhängigkeit vom Bewegungszustand des Beobachters führte und letztlich zu einer Modifikation der Raum-Zeit-Theorie. (...)

Das Verhalten von Elektronen bestimmt maßgeblich, ob ein Material Strom leitet. Die Elektronen besetzen quantenmechanische Zustände, deren Verfügbarkeit bei einer bestimmten Energie durch die Zustandsdichte beschrieben ist. Entscheidend ist der Bereich um die Fermi-Energie. Bis zu dieser Energie sind die Zustände bei tiefen Temperaturen mit Elektronen gefüllt. Nur wenn dort freie Zustände vorhanden sind, lassen sich Elektronen – oder auch Löcher – anregen, die zum elektrischen Strom beitragen. In Metallen­ ist die Zustandsdichte an der Fermi-Energie hoch, was den Ladungstransport ermög­licht. In Isolatoren hingegen liegt die Fermi-Energie in einer Bandlücke, sodass kein Strom fließt.

Interessant wird es, wenn sich viele Zustände in einem engen Energiebereich konzentrieren – die Zustandsdichte also hoch ist. In solchen Fällen führen die gegenseitigen Wechselwirkungen der Elektronen zu kollektiven Effekten. Daraus entstehen neuartige Quantenzustände wie spontaner Magnetismus, bei dem sich Spins ohne äußeres Magnetfeld ausrichten, oder korrelierte Isolatorphasen, in denen das System trotz metallischer Bandstruktur isolierend ist. (...)

To understand the structure and dynamics of systems with unpaired electron spins, such as biological molecules or defects in solids, electron spin resonance (ESR) is widely employed. ESR relies on driving transitions between states differing in their spin configuration [1]. To drive such transitions, there needs to be an energy difference between the states. Typically, a magnetic field is applied to split the spin states in energy as a result of the Zeeman effect (Fig. 1a). Transitions between these states can then be driven by applying a radiofrequency (RF) magnetic field with a photon energy hν (h is Planck’s constant, ν is the frequency of the RF field) which matches the spin state splitting. Measuring the absorption of the RF radiation for a varying magnetic field or a varying radiofrequency yields an ESR spectrum (Fig. 1b). 

Detecting this weak absorption requires many spins, typically at least 1010 [2]. The resulting ESR signal thus represents an average value over a large ensemble of spin systems and their respective environments. However, the properties of an individual spin system can typically only be accessed if an ESR signal is measured for a single spin. Pushing the sensitivity of ESR down to a single spin requires a fundamentally different way of detecting the ESR signals, for example by means of atomic force microscopy (AFM). (...)

Am 4. Juli 2012 haben die ATLAS- und CMS-Kollaborationen die Entdeckung eines Higgs-Bosons am Large Hadron Collider des CERN bekannt gegeben: ein Meilenstein der Elementarteilchenphysik [2, 3]. Etwa 40 Jahre nach seiner Vorhersage war der Nachweis des Feldes geglückt, das den bekannten Elementarteilchen ihre Masse verleiht. Dieses Higgs-Feld durchdringt das Vakuum und ist auch dann noch vorhanden, wenn alle anderen Teilchen und Felder fehlen. Das Higgs-Feld ist also untrennbar mit dem Vakuum unseres Universums verbunden. Das 2012 entdeckte Higgs-Boson ist eine Anregung dieses Feldes, die nur hochenergetische Teilchenkollisionen ermöglichen, wie sie am LHC stattfinden. 

Die kurzlebigen Higgs-Bosonen zerfallen praktisch instantan in leichtere Teilchen des Standardmodells. Im Detektor lassen sich Zerfälle in zwei hochenergetische Photonen besonders gut identifizieren. (...)

Aussagen zum Verhältnis von Physikdidaktik und Physikunterricht lassen sich den Lehrwerken für die didaktische Ausbildung entnehmen. Ein zentrales Lehrwerk bis in die 1990er-Jahre hinein war die „Methodik des Physikunterrichts“, das 1978 in 5. Auflage erschienen ist. Darin heißt es: „Die Didaktik als Wissenschaft untersucht und erforscht, welche verschiedenen Größen am Unterrichtsvorgang beteiligt sind und welche Wege der Unterricht im jeweiligen Fach einschlagen muss, um dem Gesetz der Ökonomie der Vermittlung zu entsprechen.“ ([2], S. 15) Und weiter: „Didaktik als Lehre treibt schließlich die Erneuerung des Unterrichts voran, das heißt, sie will mit ihren Erkenntnissen und Angeboten so überzeugend sein, dass die Praxis des Schulunterrichts sich nach ihnen ausrichtet.“ Die Aufgabe der Physikdidaktik (als Wissenschaft) besteht also darin, Stellschrauben herauszuarbeiten, um den Unterricht zu optimieren, und in der universitären Lehre überzeugende Angebote für die Unterrichtspraxis zu machen. Optimierung von Physikunterricht soll folglich vorrangig durch die Lehre geschehen. 

In einem aktuellen Physikdidaktik-Lehrbuch heißt es im Vergleich dazu: „Die fachdidaktische Forschung muss fundierte Ergebnisse über das Lehren und Lernen von Physik liefern, um Forschern1) die Beantwortung weiterführender Fragestellungen in Grundlagenforschung und Anwendung zu ermöglichen, einigermaßen gesicherte Inhalte für die Lehrerausbildung zur Verfügung zu stellen und vor allem Lehrerinnen und Lehrern für individuelle Fortbildung eine glaubwürdige Grundlage für die Optimierung ihres Unterrichts zu geben.“ (...)

Es liegt in der Natur der Physik, komplexe Probleme so weit wie möglich zu vereinfachen. Solche Modelle lassen sich oft analytisch lösen und geben Einblicke in die komplexere Wirklichkeit. Schon Mitte des 20. Jahrhunderts kamen theoretische Modelle auf, die wechselwirkende Elektronen in einer Dimension behandeln. Das wohl berühmteste hat der deutsch-britische Physiker Sir Rudolf Ernst Peierls entwickelt. Dieses Peierls-Modell berücksichtigt die Elektron-Phonon-Kopplung und pos­tuliert eine periodische Ladungsdichtewelle bei tiefen Temperaturen. 

Die Coulomb-Abstoßung zwischen Elektronen lässt sich ebenfalls in einer Dimension analytisch behandeln. So fanden der Japaner Shin’ichiro– Tomonaga und der US-Amerikaner Joaquin Mazdak Luttinger in den 1950er- und 1960er-Jahren heraus, dass Elektronen merkwürdige Eigen­schaften bekommen, sobald sie die Coulomb-Wechselwirkung berücksichtigten. Während Elektronen im Vakuum eine wohldefinierte Elementarladung und einen Spin S = 1/2 besitzen, verwandeln sie sich in einem eindimensionalen Metall mit starker Coulomb-Abstoßung in neuartige Quasiteilchen, die Ladung und Spin mit verschiedenen Geschwindigkeiten entlang des Leiters transportieren. Diese Spin-Ladungs-Trennung ist eines der Hauptmerkmale der Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit eindimensionaler Metalle mit starker Coulomb-Wechselwirkung. (...)

Halbleitende Polymere erzeugen bei der organischen Photovoltaik (OPV) den Strom aus Sonnenlicht. OPV-Module lassen sich kostengünstig drucken und produzieren [1]. Zudem ist organische Photovoltaik­ halbtransparent, flexibel, leicht und farblich veränderlich. Bei schwachen Lichtverhältnissen und hohen Lichteinfallswinkeln erzeugt sie mehr Strom als andere Technologien, sodass sie sich besser für eine vertikale Installation eignet [2]. Ihre Anwendungen sind vielseitig, etwa bei der Integration in Gebäuden, Fassaden, Fenstern und Markisen. Zu den Herausforderungen gehört die große Diskrepanz zwischen dem Wirkungsgrad einzelner Solarzellen (19,2 Prozent) und von Solarmodulen (14,5 Prozent) [3, 4]. Zwar entwickeln zahlreiche Forschungsgruppen neue Materialien für effizientere Solarzellen; mit der Skalierung auf größere Module befassen sich jedoch eher wenige. Dabei ist dieser Schritt entscheidend für die Anwendung und Kommerzialisierung von organischer Photovoltaik. 

Da die Schichtdicke die Effi­zienz beeinflusst, ist für organische Solarmodule eine gleichmäßige Beschichtung wichtig. Ist eine Schicht zu dick, zu dünn oder sehr ungleichmäßig, sinkt die Leistung des Moduls. Die Industrie nutzt meist die Schlitzdüsen-­Beschichtung. Dabei fließt die Drucktinte gleich­mäßig durch einen schmalen Schlitz aus einer Kammer auf das Substrat (Abb. 1a). Diese Methode ist aufwändig in der Reinigung und erfordert ein Mindestvolumen zur Befüllung des Reservoirs, was viel Material verbraucht [5]. (...)

Zum 60-jährigen Firmenjubiläum im Jahr 1988 stiftete die AEG in Berlin einen Preis, mit dem fortan hervorragende Dissertationen von jungen Physikern und Physikerinnen an den drei Berliner Universitäten ausgezeichnet wurden. Mit dem Namen „Carl-Ramsauer-Preis der AEG“ war auch die Absicht verbunden, die hauseigene Forschung der AEG öffentlich sichtbar zu machen. Der Preis wurde in Zusammenarbeit mit den Berliner Universitäten und später auch der Universität Potsdam verliehen. Nach Übernahme der AEG durch Daimler-Benz und dem Auslaufen der Förderung im Jahr 1999 wurde er ab 2002 als Dissertationspreis der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin (PGzB) fortgeführt und die Namensgebung „Carl-Ramsauer-Preis“ beibehalten. Im Nachgang des 175-jährigen Gründungs­jubiläums der PGzB wurde im Kontext der Aufarbeitung der NS-Geschichte wissenschaftlicher Gesellschaften diese Namensgebung kritisch bewertet. Daraufhin beschloss die PGzB, sich mit der historischen Rolle von Carl Ramsauer genauer auseinanderzusetzen und Gutachten einzuholen. Diese Gutachten und eine damit verbundene öffentliche Diskussion mit Fachleuten und PGzB-Mitgliedern im Februar 2024 haben wesentlich dazu beigetragen, eine Reihe der hier vorgestellten und bislang nur wenig oder gar nicht bekannten Erkenntnisse zu Ramsauer aufzudecken. (...)