Physik Journal 9 / 2026

Genau 400 Studiengänge von 59 Physik-Fach­bereichen erfasst die diesjährige Statistik der ­Konferenz der Fachbereiche Physik. Darunter sind 265 Fach- und 135 Lehramtsstudiengänge. Die Datenlage bei den Fachstudiengängen ist wie jedes Jahr so gut wie komplett; lediglich bei 15 fehlen meist wenige Zahlen. ­Dagegen weisen die Daten zu 32 Lehramtsstudiengängen wie schon in den Vorjahren teils größere Lücken auf: Mehrere Fachbereiche haben systematisch keinen oder zumindest keinen zeitnahen Zugriff auf die Zahl der Abschlüsse. Wie sich so die Qualität der Lehramtsstudiengänge bewerten, sichern oder gar verbessern lässt, bleibt aus unserer Sicht fraglich. (...)

Die vielfältigen Herausforderungen einer zunehmend komplexen und vernetzten Welt stellen hohe Anforderungen an die Gesellschaft. Erforderlich ist die Fähigkeit, eigene und fremde Positionen sachlich zu hinter­fragen, Informationen fundiert zu bewerten, rationale Entscheidungen zu treffen, Alternativen abzuwägen und konsensfähige Positionen auf der Grundlage gesicherten Wissens zu entwickeln.

Gleichzeitig zeigt sich in Teilen der Gesellschaft ein ­selektiver Vertrauensverlust gegenüber bestimmten wissenschaftlichen Erkenntnissen, ohne dass Wissenschaft insgesamt abgelehnt wird. Betroffen sind vor allem Ergebnisse, deren Konsequenzen als persönliche Einschränkung wahrgenommen werden. Alternative Aussagen werden daher oft unkritisch übernommen, da sie psychologisch entlastend wirken. Die Ursachen der Ablehnung liegen neben Wissensdefiziten auch in psychologischen Faktoren [1, 2]. (...)

Fangen wir mit einfachen Verpackungen und Gebrauchsgegenständen – also Plastik – an. Diese Materialien sind leicht, widerstandsfähig, wasserfest, haltbar, in guter Näherung gasdicht und preiswert herstellbar. Diese Kombination ermöglicht in vielen Fällen überhaupt erst den Transport verderblicher Güter über große Distanzen. Konventionelles Glas wäre zu empfindlich und schwer, was die Energie­kosten des Transports erheblich erhöhen würde. Komplizierte Gehäuse­ einfacher Geräte oder Formen von Gebrauchs­gegenständen sind einfach und kos­tengünstig herzustellen. Diese­ Vorteile und die daraus resultierende Haltbarkeit haben aller­dings einen hohen Preis: Plastik – oder besser Kunststoff – verrottet praktisch nicht, und Abrieb oder Reste als mikroskopisch kleine Partikel stehen im begründeten Verdacht, sehr gesundheitsschädlich zu sein. Daher sind eine Reduktion auf wesentliche Anwendungen sowie Forschung zum besseren Recycling dringend notwendig. Letzteres ist aber eher das Feld der Chemie und Verfahrenstechnik, weniger der Theoretischen Physik.

Auch in der Medizin spielen Polymere eine große Rolle – unter anderem für Schläuche, Implantate, Filter etc. Die Halbleiterindus­trie nutzt Polymere in vielfältiger Weise, etwa als Trägermaterial. Ein alltäglicher, technisch anspruchsvoller Einsatz ist zum Beispiel der von Polykarbonat (PC) für optische Anwendungen, seien es die Gehäuse von Fahrzeugscheinwerfern oder Brillengläser. PC lässt sich optisch klar herstellen, bleibt bis rund 420 Kelvin im Glaszustand, bevor es sich verflüssigt, und ist ausgesprochen schlagzäh, d. h. nicht spröde. Zudem steigt die Bedeutung von Polymeren mit einer aktiven Funktion (funktionale Poly­mere) für Anwendungen in biopharmazeutischen Produkten und der (organischen) Elektronik. (...)

Die elektrischen, optischen und topologischen Eigen­schaften eines Festkörpers sind durch dessen atomare Zusammensetzung, die Verteilung der Elektronen und deren Spin charakterisiert. In Quanten­materialien lassen sich diese Eigenschaften effizient und vielseitig kontrollieren. Dies geschieht etwa durch Manipulieren der Interaktion des atomaren Gitters mit dem Elektronen­system, z. B. durch Variation der Temperatur. Eine exemplarische Potentiallandschaft eines Festkörpers ist in Abb. 1 gezeigt, in der jedes Potentialminimum einer Phase entspricht. Je nach Höhe der Potentialbarriere sind nicht alle Potentialminima durch Ändern der Temperatur ΔT erreichbar. Hier helfen ultrakurze Laserimpulse [1]: Nach optischer Anregung des Elektronensystems in einen angeregten Zustand kann dessen starke Kopplung an das Gitter dazu führen, dass sich thermisch nicht erreichbare Potential­minima ausbilden. Wichtig ist, dass ein solches Minimum bereits zuvor in der Potentiallandschaft des Grundzustands existierte. Die Laserimpulse ändern nicht die Form und Krümmung der Potentiallandschaft.

Die Potentiallandschaft des Grundzustands lässt sich durch Ausbildung neuer Phasen, die Licht-Materie gekoppelt sind, kohärent manipulieren. Die Eigenschaften dieser Phasen hängen direkt von denen der elektromagnetischen Strahlung ab: der Frequenz, Polarisation und Amplitude. Ein bekanntes Szenario existiert in Graphen (Abb. 2a) [2]: Wird Graphen mit einem zirkular polarisierten elektro­magnetischen Feld bestrahlt, entsteht ein neuer, Licht-Materie gekoppelter Zustand. Am Dirac-Punkt öffnet sich eine Bandlücke in der linearen Bandstruktur. Dieser Metall-zu-Isolator-Übergang ist topologisch nicht trivial, existiert nur in Präsenz des Feldes und ist nicht mit linearer Polarisation realisierbar. Wie funktionieren solche Prozesse? (...)

Aktuell verzehnfacht sich der Energieverbrauch im Zusammenhang mit Künstlicher Intelligenz jedes Jahr. Dies führt dazu, dass sich eine wachsende Zahl an Forschenden mit alternativen Hardware-Ansätzen ­befasst, um Maschinelles Lernen und Künstliche Intelligenz energieffizienter zu machen. Auf der fundamentalen Ebene­ befasst sich das Neuromorphe Computing mit analogen physikalischen Systemen, welche die mathematischen Strukturen digitaler neuronaler Netze nachahmen. Dazu zählen eine Vielzahl verschiedener Plattformen, etwa optische Systeme, analoge elektronische Schaltkreise oder auch spintronische Systeme. 

Optische Systeme gelten vor allem deshalb als attraktiv, da sie unter bestimmten Voraus­setzungen, wie kleinen Propagationsverlusten, einen geringeren Energie­verbrauch versprechen. Das lässt sich an folgendem Beispiel illustrieren: Um einen Lichtstrahl zu erzeugen, benötigen wir Energie. Aber wenn sich dieser Lichtstrahl ausbreitet, er reflektiert, gebrochen und gebeugt wird, so passiert ­dies, ohne dass wir zusätzliche Energie aufwenden müssen. Gleichzeitig lässt sich die Streuung des Lichts nutzen, um Berechnungen durchzuführen, beispielsweise Matrix-Vektor-­Multiplikationen. Solche Operationen sind in digi­talen Computern sehr rechen- und energieintensiv, da die ­Anzahl der Rechenschritte quadratisch mit der Matrix­größe skaliert. Matrix-Vektor-Multiplikationen sind jedoch essenziell für digitale neuronale Netze und stellen somit einen relevanten Engpass für das Maschinelle Lernen dar.  (...)

Die Wechselwirkung von Licht und Materie bildet die Grundlage für eine Vielzahl wesentlicher Prozesse und Technologien; von der Photosynthese über Stromerzeugung in Solarz­ellen und Lichterzeugung in organischen Leucht­dioden (OLEDs) bis hin zur optischen Sensorik. All diese Phänomene spielen eine zentrale ­Rolle für die effiziente Energieumwandlung und gewinnen zunehmend an Bedeutung für neue photonenbasierte Quanten­technologien.

Bei der Photosynthese und in Solarzellen erzeugt die Absorption von Photonen angeregte Zustände, die anschließend durch das molekulare System wandern. Leuchtdioden hingegen emittieren Photonen, wenn diese Zustände zerfallen. Häufig beschreibt man diese Vorgänge mit gemittel­ten Materialeigenschaften, doch diese Perspektive übersieht viele entscheidende mikroskopische Details.

Tatsächlich bestimmen die Eigenschaften der einzelnen optisch aktiven Moleküle (Chromophore) sowie ­deren Schwingungsmoden und die Wechselwirkung mit der unmittelbaren Umgebung die optische Antwort eines Materials. Diese Faktoren wirken auf der Skala eines einzelnen Chromophors (also < 1 nm) und beeinflussen unmittelbar die intermolekulare Kopplung, den Transport der Anregung und damit letztlich die Effizienz von Lichtabsorption und -emission (Abb. 1). (...)

Erlauben Sie bitte eine persönliche Bemerkung zu Beginn: Der Robert-Wichard-Pohl-Preis bedeutet mir sehr viel, weil mir die Vermittlung der Physik ebenso sehr am Herzen liegt wie die physikalische Forschung. Für beides ausgezeichnet zu werden, ist für mich eine ganz besondere Freude, für die ich der Deutschen Physikalischen Gesellschaft herzlich danke!

Meine Forschung dreht sich um Strukturen in Systemen aus klassischen Teilchen außerhalb des Gleichgewichts, insbesondere um die Entwicklung kosmischer Strukturen. Darüber gäbe es viel Interessantes zu schreiben, aber ich möchte die Gelegenheit nutzen, um ein Thema aufzugreifen, das noch wichtiger ist als die Kosmologie, ­nämlich die Ausbildung für das Lehramt in Physik. Schließlich haben wir als Physiklehrende an Universitäten einen gesellschaftlichen Auftrag zu erfüllen, und während unsere Gesellschaft vielleicht meint, ohne Kosmologen auskommen zu können, kann sie auf möglichst gut ausgebildete Physiklehrkräfte sicher nicht verzichten.

Künftige Lehrkräfte müssen zwei Fächer studieren. Bei denjenigen mit Fach Physik ist das zweite Fach in nur noch etwa der Hälfte der Fälle die Mathematik. In der anderen Hälfte wird die Physik mit beinahe beliebigen anderen Fächern kombiniert, von Geografie bis Politikwissenschaften. (...)

Humans have a natural instinct to categorise the world: we name objects, sort them by classes, and often assign labels or numbers to them. Topology is based on this instinct and asks which properties of an object remain unchanged when it is smoothly deformed: a coffee cup and a donut are topologically equivalent because both have a single hole. Therefore, objects can be classified by “counting their holes”. In physics, there is more beyond the geometry of everyday objects. 

Topology becomes especially powerful when applied to fields. A field assigns a quantity to every point in space – in case of a vector field, a vector quantity symbolized by an arrow with a direction and a length typically describing the strength of the quantity. Examples include the electric and magnetic fields of light, the velocity vectors in flowing water, or the tiny atomic magnetic moments in a magnet. To answer the question whether the entire field forms a hidden architecture of twists, knots, and links in space, we need to solve a practical problem at first: the visualization of a three-dimensional volume in which every point carries its own three-component arrow. 

A continuous collection of arrows in a three-dimensional volume cannot be drawn all at once ­without quickly becoming confusing (Fig. 1a). Therefore, it is necessary to simplify the picture: instead of showing the vector at every point, a discrete set of positions is chosen like one slice of the system at a time. The focus on a single plane reduces the problem from a three-dimensional volume to a two-dimensional cross-section (Fig. 1b). Then, local patterns attract attention but structures continuing from one plane to the next are lost. A different strategy recovers the three-dimensional structure. Instead of drawing many arrows, we select one particular direction of the field and mark all points in space where the vector aligns in that direction. (...)

Die Ursprünge der Physikshow liegen an der University of Wisconsin-Madison in den USA, wo ich von 1984 bis 1989 studierte. 1984 startete Clint Sprott dort die „Wonders of Physics“ [1, 2]. Bei diesen Shows führte er in Frack und Zylinder Experimente vor, assistiert von zwei bis drei Studierenden. Bis zu meiner Promotion 1989 in ­theoretischer (!) Elementarteilchenphysik konnte ich die immer ausgebuchten Shows als Zuschauer miterleben. Seitdem waren sie fest in meinem Hinterkopf verankert. Es folgten Wanderjahre als Postdoc mit Stationen am DESY, in Oxford und an der ETH Zürich, und schließlich eine permanente Forschungsstelle am nationalen Rutherford Appleton Laboratory, UK. Im Jahre 2000 wurde ich in Bonn erstmalig Universitätsprofessor. Bei meiner Antrittsvorlesung im Dezember 2001 über Neutrinos zeigte ich einige Experimente und lernte dabei Michael Kortmann kennen, der bis 2024 die Vorführsammlung in der Physik geleitet hat. Noch im gleichen Monat haben wir zusammen die Physikshow gegründet. Heute leite ich diese gemeinsam mit Timo Poller, Kristoffer Kerkhof und Paula Weber aus der Vorführsammlung. Von Beginn an wollten Michael und ich die Studierenden stark miteinbeziehen. Vor den Weihnachtsferien rekrutierte ich 20 Studierende in meiner Vorlesung zur klassischen Mechanik und im Januar 2002 starteten wir. Die Studierenden entwickelten eine Show, mit etwas Anleitung von uns und umfangreicher technischer Unterstützung von Michael, aber inhaltlich größtenteils alleine. (...)

Ein besonders eindrucksvolles Beispiel für diese Entwicklung ist die diamantbasierte Quantensensorik auf Basis von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren („Nitrogen-Vacancy“, NV-Zentren). Der Weg dieser Technologie – von der quantenphysikalischen Grundlagenforschung bis hin zu industriell eingesetzten Messsystemen – steht im Zentrum einer Kooperation der Technischen Universität München (TUM), des Munich Quantum Valley (MQV) und des Spin-offs QuantumDiamonds. Die prämierte Entwicklung zeigt exemplarisch, wie moderner Technologietransfer gelingen kann, wenn Wissenschaft, institutionelle Rahmen­bedingungen und Unternehmertum eng verzahnt sind.

Ein atomarer Defekt als Quantensensor

Den Kern der Technologie bildet ein scheinbar unspektakulärer Kristalldefekt: ein Stickstoffatom (N), das ein Kohlenstoffatom im Diamantgitter ersetzt, kombiniert mit einer benachbarten Leerstelle (V). Dieses NV-Zentrum bildet ein atomgroßes elektronisches Spinsystem mit außergewöhnlichen Eigenschaften. Es lässt sich mittels grünem Laserlicht optisch polarisieren, durch Mikro­wellenfelder kohärent manipulieren und über spinabhängige Photolumineszenz auslesen – und das alles bei Raumtemperatur (Abb. 1). (...)