Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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E-Verhandlungen 1999
Heidelberg
Plenarvorträge

Hochauflösende Inpulsspektroskopie der Heliumdoppelionisation - Billiardspielen mit korrelierten Elektronen

•H. Schmidt-Böcking
Institut für Kernphysik der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main

Mit Hilfe moderner bildgebender Nachweisverfahren kann die Dreiteilchenfragmentierung des Heliumatoms mit ca. 10% Dreifachkoinzidenzeffizienz im Impulsraum vollständig gemessen werden. Durch Kühlung der Heliumtargetatome vor dem Stoß bis in den Milli-Kelvinbereich können auch für solch groß e Nachweiseffizienzen Impulsauflösungen von ca. 0,02 a.u. oder 100 eV/c erreicht werden. Damit läß t sich erstmals korrelierte Mehrteilchendynamik in atomaren Streuprossesen vollständig in subatomarer Auflösung untersuchen. Am Beispiel ausgewählter Experimente wird gezeigt, daß mit Hilfe dieser neuen Techniken in kontrollierter Weise mit den beiden Elektronen im Helium Billiard gespielt werden kann. Aus der beobachteten Dynamik und den gemessenen Streuwahrscheinlichkeiten für korrelierte Zweielektronenprozesse ergeben sich neue fundamnetale Fragen zur dynamischen Struktur des Heliumatoms.

Carbon Nanotubes as Molecular Quantum Wires

•Cees Dekker
Department of Applied Physics and DIMES, Delft University of Technology, Lorentzweg 1, 2628 CJ Delft, The Netherlands

I will start my talk with an introduction to carbon nanotubes, an then review our recent electron-transport and STM results obtained on individual carbon nanotube molecules. STM imaging and spectroscopy data on single-wall nanotubes allow to make the correlation between the atomic and electronic structure of nanotubes. The central theoretical prediction that chiral nanotubes are either semiconducting or metallic is confirmed experimentally. Standing electron waves can be observed by STM spectroscopy in nanotubes of finite length. Electrical transport has been studied through individual nanotubes deposited onto nanofabricated metal contacts. Measurements at mK temperatures indicate Coulomb charging and resonant tunneling through well-separated discrete electron states that extend over very long distances. Recent transport experiments on individual nanotubes show that we can build a single-molecule field-effect transistor that operates at room temperature.

National Ignition Facility

•Mike Campbell
P.O.Box 808, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA 94550, USA

Atomoptik: Neue Ansätze und Anwendungen

•Jürgen Mlynek
Universität Konstanz

Die Atomoptik hat sich in den letzten Jahren als eigenständiges Gebiet in der Atomphysik und Quantenoptik etabliert. Nachdem anfangs die Realisierung von geeigneten „optischen Elementen“ für Materiewellen von Atomen im Vordergrund stand, gilt das Interesse in jüngerer Zeit der Anwendung atomoptischer Systeme z. B. in der Interferometrie für Präzisionsmessungen oder in der Lithographie zur Erzeugung von Nanostrukturen im sub-100 nm-Bereich. Weitere Möglichkeiten für die Atomoptik eröffnen sich durch die Verwendung von laserartigen Quellen von Atomen: solche Quellen mit neuen Kohärenz- und nichtlinearen Propagationseigenschaften stehen seit der Demnonstaration der Bose-Einstein-Kondensation zur Verfügung. In diesem Zusammenhang spielen auch die niederdimensionalen Wellenleiter für Atome (u. a. als Resonatoren für Materiewellen) eine wichtige Rolle. Der Vortrag soll anhand ausgewählter Beispiele den aktuellen Entwicklungsstand, die Grenzen sowie die Perspektiven der Atomoptik aufzeigen.

Evidence for Neutrino Oscillations

•Yoji Totsuka
Kamioka Oberservatory, Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokio, Kamioka, Japan

Recently Super-Kmiokande published the results that show clear evidence for neutrino oscillations in atmospheric neutrinos. Neutrinoi oscillations occur only when neutrinos have finite mass and non-conservation of lepton flavor number (muon number electron number, etc.) It has important implications in particle physics and cosmology, hence raising a lot of interests in the community. The anomaly in atmospheric neutrinos, a deficit of muon neutrinos, has been known since 1988, but due to low statistics of the observed number of events, the anomaly was considered to be controversial. The Super-Kamiokande experiment now has events five times more than those combined of all the previous emperiments. Two other experiments also published the results that support the Super-Kamiokande results, though statistically less significant, further strengthening evidence for neutrino oscillations.
In this lecture I would, after a brief introduction, describe the current status on atmospheric-neutrino studies and show the results that indicate evidence for neutrino oscillations. I would also like to discuss what future experiments should do for a further scrutiny into neutrino mass.

Quantenphänomene in Gläsern: Dynamik von Tunnelsystemen bei tiefen Temperaturen

•Siegfried Hunklinger
II. Institut für Angewandte Physik, Universität Heidelberg

Gläser und Kristalle haben bei tiefen Temperaturen völlig unterschiedliche Eigenschaften, da der irreguläre atomare Aufbau der Gläser lokale strukturelle Umlagerungen durch die Tunnelbewegung von kleinen Atomgruppen erlaubt. Diese Tunnelsysteme bestimmen weitgehend das thermische, elastische und dielektrische Verhalten bei Temperaturen unterhalb der des flüssigen Heliums. Quantitativ können die experimentellen Beobachtungen bislang allerdings nur mit Hilfe phänomenologischer Modelle beschrieben werden.
Bisher wurde die Wechselwirkung zwischen den Tunnelsystemen kaum beachtet, obwohl die Wechselwirkungsenergie beim Abkühlen auf einige Millikelvin vergleichbar oder gar größ er als die thermische Energie wird. Es scheint, daß durch die Wechselwirkung ein Phasenübergang bewirkt wird, der zu einer korrelierten Bewegung einer makroskopisch groß en Zahl von Tunnelsystemen führt. Gleichzeitig wird eine extreme Empfindlichkeit der dielektrischen Suszeptibilität auf kleinste Magnetfelder beobachtet. Ein tieferes Verständnis dieser Phänomene steht jedoch noch aus.

One Hundred Years of Nonequilibrium Patterns

•Pierre Hohenberg
Department of Physics, Yale University New Haven, CT 06520-8120, USA

Among the simplest macroscopic nonequilibrium systems are spatially uniform ones in which energy is fed in at a steady or periodic rate. Examples are a horizontal layer of fluid heated from below (Rayleigh-Benard convection), a cylinder filled with fluid and rotated about its axis (Taylor-Couette flow), or a layer of fluid placed on a vibrating plate (Faraday waves), as well as a large number of other chemical, biological and physical systems. In the above examples the control parameter R, describing the rate at which energy is fed into the system is, respectively, the temperature difference between the top and bottom plates of the layer, the rotation frequency of the cylinder, and the amplitude of oscillation of the vibrating plate. In a typical scenario the system remains uniform for small R, but the homogeneous state undergoes a linear instability at a critical value Rc, above which a spatial pattern emerges and grows. Initially this pattern is often spatially regular and either stationary or periodic in time. As R increases new instabilities and patterns occur, with increasing manifestations of disorder in space and time. Examples of regular and irregular phenomena that will be discussed include pattern selection, pulse and front propagation, and spatiotemporal chaos.

The Structure of Hadronic Physics

•John Bourke Dainton
Department of Physics, Oliver Lodge Laboratory, The University of Liverpool, Liverpool L69 7ZE, Great Britain

Our understanding of the way hadrons interact with each other is outlined. The phenomenology of hadronic interactions at high energy, which developed in the 1960s, is briefly explained. Following the introduction of Quantum Chromodynamics (QCD) and its success in elucidating the nature of nucleon structure in the 1970s, experimental results, both new and not so new, are described which, when taken together, provide for the first time insight into the structure of the chromodynamic mechanisms responsible for hadronic interactions.

Elektronischer Transport durch einatomare Kontakte

•Elke Scheer
Physikalisches Institut, Universität Karlsruhe, D-76128 Karlsruhe

In den vergangenen Jahren sind verschiedene Techniken entwickelt worden, wenigatomare Kontakte zwischen zwei metallischen Elektroden herzustellen. Die elektronischen Transporteigenschaften dieser Strukturen zeigen interessante Eigenschaften wie z. B. stufenartiges ändern des Widerstands bei Verkleinerung des Kontaktdurchmessers sowie die Bevorzugung bestimmter Widerstände. Einatomare Kontakte verschiedener Metalle besitzen hierbei zwar ähnliche, aber doch elementspezifisch unterschiedliche Widerstände um etwa 5 kW (Niob) bis 15kW (Aluminium). Mögliche Anwendungen von einatomaren Kontakten in einer molekularen Elektronik werden bereits diskutiert. Dafür ist es aber zunächst nötig zu verstehen, wie die atomaren, chemischen und physikalischen Eigenschaften des verwendeten Elementes die makroskopischen Eigenschaften des entstehenden Schaltkreises beeinflussen. Ein erster Schritt hierzu bietet die Untersuchung des einfachsten vorstellbaren Schaltkreises - eines Metallatoms, das zwei Stücke desselben Metalls verbindet. Durch die Ergebnisse von Messungen des elektronischen Transportverhaltens (im supraleitenden Zustand) von einatomaren Kontakten, hergestellt aus verschiedenen Hauptgruppen des Periodensystems mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops oder mechanisch kontrollierbaren Bruchkontakten, wird ein quantenchemisches Modell entwickelt, das ausgehend von den atomaren Orbitalen und der Geometrie des zentralen „Clusters“ (bestehend aus Zentralatom und seinen Nachbarn) Leitungsbänder oder „Transportkanäle“ aufbaut. Dabei ergibt sich ein direkter Zusammenhang zwischen chemischer Valenz und der Anzahl der Transportkanäle.

Laserinterferometrische Gravitationswellendetektoren auf der Erde und im Weltraum

•Herbert Welling
Institut für Quantenoptik, Universität Hannover, Laserzentrum Hannover

Eine der interessantesten Entwicklungen der Experimentalphysik über die letzten Jahre ist die Detektion von Gravitationswellen. Insbesondere die laserinterferometrische Detektion dieser von Einstein vorhergesagten Wellen in der Raum-Zeit wird weltweit stark vorangetrieben. Der Tonfrequenzbereich des Gravitationswellenspektrums (10 Hz - 10 kHz) wird aller Erwartung nach bis Ende dieses Jahrzehnts durch im Bau befindliche erdgebundene Laserinterferometer erschlossen sein. Das amerikanische LIGO-Projekt (2 x 4 km Armlänge), das französisch-italienische VIRGO-Projekt (3 km) und das deutsch-britische GEO600-Projekt (0,6 km) benutzen leicht unterschiedliche experimentelle Kozepte, um den Einfluß der unterschiedlichen Rauschquellen zu minimieren.
Der niederfrequente Bereich des Gravitationswellenspektrums (1 mHz - 0,1 Hz) wird wegen des nicht abschirmbaren Untergrundes von Newtonscher Gravitation niemals von der Erde aus zugänglich sein. Satelitengestützte Interferometer im Weltraum können diesen Bereich erschließ en. Die LISA-Mission beruht auf einem Cluster von Sateliten, welche Laser und freifliegende Testmassen enthalten und ein Laserinterferometer mit 5 Mio. km Arlänge bilden. Dieses Gemeinschaftsprojekt der ESA und der NASA wird dann Anfang des nächsten Jahrtausends nach Gravitationswellen mit sehr groß er Periodendauer suchen, die beispielsweise von schwarzen Löchern hervorgerufen werden können.

Intensive Laserpulse im Bereich der Licht-Oszillationsperiode

•Ferenc Krausz
Institut für Angewandte Elektronik und Quantenelektronik, Technische Universität Wien, Österreich

Die letzten Entwicklungen in der Ultrakurzpulslasertechnik haben die Erzeugung hochintensiver, extrem kurzer Lichtpulse mit einer Dauer von wenigen Femtosekunden (1 fs = 10^-15 s) ermöglicht. Diese Pulsdauer ist vergleichbar mit der Lichtperiode ( 2p/w = 2.6 fs bei einer Wellenlänge von 800 nm). Folglich führt das elektrische (und magnetische) Feld in diesen Wellenpaketen nur sehr wenige Schwingungen aus und kann, durch die enorme zeitliche Konzentration elektromagnetischer Energie, bei moderaten Pulsenergien Spitzenwerte erreichen, die die Stärke atomarer Coulomb-Felder weit übersteigen. Die hochintensiven „Lichttransiente“ vergrößern beträchtlich die Reichweite der nichtlinearen Optik. Dank der kurzen Wechselwirkungegzeit können nun nichtlineare Prozesse in Festkörpern bei Intensitäten über 10¹⁴ w/cm² zerstörungsfrei untersucht und ausgenutzt werden. Bei Intensitäten über der Zerstörschwelle sind diese Pulse imstande, Material reproduzierbar in kleinsten Mengen von Festkörperoberflächen abzutragen und bieten das Potential für Mikromaterialbearbeitung auf der Nanometerskala. Der Erzeugung hoher Harmonischer in Edelgasen bis zu vorher unerreichten Ordnungen ( > 300) und bei reduzierter Ionisation erlaubt die Entwicklung einer kompakten Quelle kohärenter Röntgenstrahlen mit hoher Brillianz im Wellenlängenbereich von 3 nm - 30 nm für eine Reihe von Anwendungen in der Physik, Chemie und Biologie.

Quantenfluktuationen im frühen Universum

•Claus Kiefer
Fakultät für Physik, Universität Freiburg

Moderne Modelle der Kosmologie gehen von der Existenz einer Phase beschleunigter Expansion des frühen Universums aus. Diese sogenannte "`Inflation"' löst nicht nur zahlreiche Probleme des ursprünglichen Urknallmodells, sie ist auch in der Lage, quantitativ die Entstehung von Strukturen - Galaxien und Galaxienhaufen - im Universum zu beschreiben: Tatsächlich rühren diese Strukturen von Quantenfluktuationen her, die während der inflationären Phase klassische Eigenschaften annehmen. Im Anisotropiespektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung können diese Fluktuationen direkt beobachtet werden.

In meinem Vortrag will ich eine Einführung in dieses Szenario geben. Dabei soll insbesondere die Entstehung der klassischen Natur der Fluktuationen behandelt werden, wobei auch Analogien mit anderen Bereichen der Physik, etwa der Quantenoptik, zur Sprache kommen. Eine Diskussion von möglichen Effekten der Quantengravitation sowie der Bedeutung dieses Szenarios für den Ursprung der Irreversibilität im Universum soll schließ lich das Thema abrunden.

Einfluß des Luftverkehrs auf Zusammensetzung und Klima der Atmosphäre

•Ulrich Schumann
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Physik der Atmosphäre, Oberpfaffenhofen, 82230 Wessling

Im Bereich der Tropopause, der Grenzfläche zwischen Troposphäre und Stratosphäre, haben selbst kleine Einträge an Stickoxiden, Wasserdampf, Partikeln und an Gasen, die Aerosole bilden, einen meßbaren Einfluß aus die Zusammensetzung der Atmosphäre. Jedermann sichtbar ist die Bildung von Kondensstreifen. Wie weit die Emission des Luftverkehrs die Ozonverteilung in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre, die Bewölkung und langfristig das Klima verändern, war Gegenstand umfangreicher, internationaler Forschungen der letzten Jahre. Der Vortrag beschreibt die maßgeblichen Prozesse anhand der Ergebnisse umfangreicher Meßprogramme, in situ und mit Satelliten und von Rechnungen mit Klima- und Chemiemodellen. Zum Schluß wird der Stand der Kenntnisse zu den Wirkungen auf das Klima zusammengefaßt.

Chaotic behavior and organisation of the Solar System

•Jacques Laskar
Astronomie et Systèmes Dynamiques, CNRS-Bureau des Longitudes, 77 av. Denfert-Rochereau, F75014 Paris, France, email: laskar@bdl.fr

Until very recently, the Solar System was considered as the model of regularity. In fact, the numerical experiments conducted in the past few years reveal the contrary.

Although the motion of the large planets is very close to quasiperiodic, the motion of the small planets (Mercury, Venus, the Earth, Mars and Pluto) is chaotic. The chaotic diffusion of the orbits of Venus and the Earth is sensible. The diffusion of the orbit of Mars can increase its eccentricity up to 0.25, while the unstabilities in the orbit of Mercury are so large that this planet can probably cross the orbit of Venus within 5 billion years.

Using the maximum possible evolution of the orbits over 5 billion years, it was possible to show that the inner Solar System is full, which mean that the zones swept by each planet at their maximum eccentricity practically covers the full space, not allowing the presence of any additional body in the inner Solar System over long time span. This constatation leads to the idea of marginal stability for the Solar System, that is the Solar System is not regular, but strong unstabilities, leading to the disruption of the system can only occur in time span comparable to its age. This also shows that in an earlier stage, other bodies could have existed, but the system would be much more unstable, which would lead to the rapid escape or collision of one of the bodies. After a collision, the remaining system should become much more stable.

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Zuletzt geändert am 21.10.1999

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