Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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E-Verhandlungen 2000
Bonn
Plenarvorträge

Biophysik mit dem AFM: Von Alzheimer bis Zelladhäsion

•Dario Anselmetti
Solvias AG, CH-4002 Basel, Schweiz

Die Untersuchung und Manipulation von einzelnen biologischen Molekülen und Aggregaten, und deren molekulares Zusammenspiel ist von zentraler Bedeutung in den Lebenswissenschaften (``Life Science''). Gerade das physikalische Verständnis von Molekülphysik, Oberflächenphysik und neuer höchstempfindlicher Nachweismethodik lässt sich interdisziplinär mit wichtigen aktuellen chemischen und biologischen Fragestellungen kombinieren. Dies führt zu neuen Einsichten wie z.B. in der Struktur-Funktionbeziehung von biologischen Makromolekülen.

Einzelne makromolekulare Strukturen wie z.B. Amyloid-Aggregate (Alzheimer), DNS oder Zelladhäsionsmoleküle, lassen sich mittels Rastersondenmikroskopieverfahren (AFM) bei hoher Auflösung untersuchen, was Aufschluss über deren Struktur und molekulare Eigenschaften an Oberflächen ermöglicht. Zudem eröffnet die Möglichkeit, einzelne Moleküle in-situ in kraftspektroskopischen Untersuchungen zu manipulieren, den Zugang zur Messung von intermolekularen Kräften, molekularen Elastizitäten sowie kinetischen Ratenkonstanten. Dies wiederum erlaubt Einsichten in die molekularen Mechanismen der zugrundeliegenden physiologischen Phänomene.

THE APPLICATION OF AMS RADIOCARBON MEASUREMENTS TO CHRONOLOGICAL PROBLEMS IN ARCHAEOLOGY AND ART VERIFICATION

•Timothy Jull
University of Arizona, NSF-Arizona AMS Facility, PO Box 210081, Tucson, AZ 85721, USA

Accelerator mass spectrometry was first developed in 1977 and is now commonly used to measure various long-lived radionuclides such as 14C, 10Be, 26Al, 36Cl and 129I. These radionuclides are used for determining the age of geological and geophysical events. By far the most useful isotope is 14C. Radiocarbon dating is a tool of wide practical application to many archaeological and geochronological questions. It is also a well-known method for determining the age of art works and artifacts. We can obtain 14C dates on samples of < 0.5mg carbon to precisions of +-40 uncalibrated radiocarbon years in about 30 minutes on one sample. A precision of +-20 radiocarbon years can be achieved with longer counting times and multiple targets. However, radiocarbon ages must be calibrated against known-age material such as tree rings, which may result in a wider estimate of actual age. At the University of Arizona, we have used AMS 14C to study many chronological problems, from the age of ancient parchment, the earliest arrival of man in the New World, the timing of climatic changes, forest fires and earthquakes or the infall times of meteorites. AMS radiocarbon dating is also very useful for art verification, since we can usually determine the age of a small sample of a valuable piece of art by taking a small sample of wood or canvas. Some examples of the wide applicability of these techniques will be discussed.

Größenabhängige Eigenschaften und Strukturierung von Metallnanoclustern

•Günter Schmid
Institut für Anorganische Chemie, Universität Gesamthochschule Essen

Metallpartikel in der Größenordnung der Wellenlänge der Elektronen folgen nicht mehr klassischen physikalischen Gesetzen, sondern unterliegen quantenmechanischen Regeln: Die Bandstruktur des Bulk-Metalls beginnt sich in Richtung diskreter Energieniveaus zu verändern. Diese elektronische Veränderung hat dramatische Konsequenzen bezüglich der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Teilchen. Zahlreiche Untersuchungen an wenigen Nanometer großen Metallteilchen (Clustern) zeigen eindeutig sog. Quantum-Size-Effekte, die für künftige Anwendungen in der Nanoelektronik von entscheidender Bedeutung sind. Elektronische Schalter, die mit einzelnen Elektronen arbeiten, sind damit in den Bereich des Möglichen gerückt.

Solche Single Electron Tunneling (SET) - Vorgänge sind temperaturabhängig. Je kleiner das Teilchen, umso höher kann die Arbeitstemperatur liegen. Mit ligandstabilisierten Au₅₅-Clustern (\varnothing = 1,4 nm) konnten SET-Prozesse bei Raumtemperatur nachgewiesen werden.

Unser gegenwärtiges Interesse gilt insbesondere der drei-, zwei- und eindimensionalen Anordnung der als sog. Quantenpunkte fungierenden Cluster. Dreidimensional geordnete Au₅₅-Cluster, die durch unterschiedlich dicke Ligandhüllen auf entsprechende Abstände gebracht werden, zeigen eine direkte Abhängigkeit der Tunnelbarriere vom Cluster-Cluster-Abstand. Von besonderem praktischen Interesse sind zweidimensional angeordnete Quantenpunkte hinsichtlich der Entwicklung neuer Chipgenerationen. Erste Erfolge bei der Herstellung zweidimensional geordneter Clusterarrangements geben Anlass zu Optimismus.

Wie reagiert ein kleines Molekül auf die Photoionisation einer inneren Schale?

•A. M. Bradshaw^1,2 und U. Hergenhahn^1,2
1Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching
²Fritz-Haber-Institut der MPG, Berlin

Die Ionisation der inneren Schale eines in einem kleinen Molekül gebundenen Atoms führt zu einer plötzlichen Änderung der Elektronenhülle. Obwohl der entstandene Lochzustand sehr kurzlebig ist, gerät der vergleichsweise schwere, atomare Rumpf dadurch in nachhaltige Bewegung. Aus der Stärke der Schwingungsanregung kann oft die Geometrie der hochangeregten Lochzustände bestimmt werden. Erfolgt die Ionisation an zwei äquivalenten Atomen des Moleküls, so bricht die Schwingungsanregung die quantenmechanische Symmetrie des ionisierten Systems. Das Molekül gehorcht einer Beschreibung durch einen a priori lokalisierten Anregungsvorgang. Bei der Bestimmung molekularer Potentialkurven macht man weitere Fortschritte durch den koinzidenten Nachweis des primären Photoelektrons mit dem Auger-Elektron, das den Zerfall des Lochzustandes bewirkt. Neue, mit Hilfe dieser Technik aufgenommene Koinzidenzintensitäten zeigen den Einfluß der Geometrie beider Zustände. Wird das Innenschalenelektron nicht ionisiert, sondern in ein unbesetztes Valenzorbital angeregt, so ist der Grad der Schwingungsanregung im Zwischenzustand durch die Photonenenergie festgelegt. In diesem Fall beobachtet man das Wechselspiel zweier molekularer Geometrien sogar schon beim nicht-koinzidenten Nachweis des Auger-Elektrons.

Bose-Einstein-Kondensation - Quantenmechanik am absoluten Nullpunkt

•Wolfgang Ketterle
Research Laboratory of Electronics and Department of Physics, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA

Bose-Einstein-kondensierte atomare Gase sind Quantengase mit vielen neue Eigenschaften. Der Vortrag gibt einen Überblick über jüngere Ergebnisse auf diesem Gebiet. Ein Schwerpunkt unserer Arbeiten waren Lichtstreuexperimente am Kondensat. Diese Experimente verbinden Atomphysik, Quantenoptik und Festkörperphysik. Mittels optischen Stehwellen konnten Schallwellen in das Kondensat eingeprägt werden. Scharfe Resonanzen in der Lichtstreuung und eine neue Form von Superradianz beruhen auf der Kohärenz des Kondensats. Wir konnten zeigen, daß ein optisch gepumptes Kondensat Materiewellen verstärkt und charakterisierten die Verstärkung und die Phasenkohärenz.

Freie Elektronen Laser für Röntgenstrahlung bei DESY

•Jochen R. Schneider
Hamburger Synchrotronstrahlungslabor HASYLAB (DESY), 22603 Hamburg

Die groß en Fortschritte bei der Entwicklung von Niederemittanz Photoinjektoren und Linearbeschleunigern in Supraleitungstechnologie ermöglichen den Bau von Röntgen Freie Elektronen Lasern nach dem SASE Prinzip, deren Wellenlängenbereich nicht mehr von den Grenzen optischer Resonatoren bestimmt wird. Nach einer Erklärung des SASE Prinzips werden der im Bau befindliche VUV Laser beschrieben und erste Vorschläge für Anwendungen vorgestellt. Ausgehend von jüngsten Arbeiten an Synchrotronstrahlungsquellen der dritten Generation wird das wissenschaftliche Potential des bei DESY geplanten Freie Elektronen Lasers für den 1 Å Wellenlängenbereich skizziert.

Helioseismologie: die Sonne als physikalisches Experiment

•Werner Däppen
Department of Physics and Astronomy, University of Southern California,Los Angeles, U.S.A.

Helioseismologie ist ein relativ junges Gebiet, das dem Studium des innern Aufbaus der Sonne an Hand der beobachteten Eigenmoden (Fünf-Minuten-Schwingungen) gewidmet ist. Instrumente auf der Erde (z.B. GONG, Global Oscillation Network Group) oder im Weltraum (z.B. SOHO, Solar and Heliospheric Observatory) können äusserst präzis die Frequenzen von Millionen Eigenschwingungen messen. Diese Messungen beruhen auf dem Doppler-Effekt des Sonnenlichts, das von der bewegten Oberfläche ausgestrahlt wird. Die ausserordentlich hohe Qualität und Quantität der Daten ermöglichen eine Bestimmung verschiedener Schlüsselgrössen (z.B. Schallgeschwindigkeit, Dichte) des Sonneninnern. Moderne Modelle und Inversionsmethoden erlauben eine hohe Auflösung in der Tiefe bis mitten ins Zentrum. Somit kann die Sonne als Laboratorium für physikalische Bedingungen, die auf der Erde unerreichbar sind, benutzt werden. Auf der einen Seite werden thermodynamische Grössen von heissen, dichten Plasmen experimentell getestet. Auf der anderen Seite erhält man Schranken für Sonnenmodelle, und damit die ganze Theorie des Sternaufbaus und der Sternentwicklung. Ein besonders wichtiges Beispiel ist die Anwendung auf physikalische Theorien, die zur Lösung des Neutrinoproblems vorgeschlagen werden. Nur Modelle, die mit den Daten der Helioseismologie verträglich sind, können ernstgenommen werden.

Der Laser als modernes Werkzeug für Diagnostik und Therapie

•W. Ertmer
Hannover

Der Einsatz von Laserstrahlung in der medizinischen Therapie und Diagnostik ist inzwischen als Standardverfahren etabliert. Der Laser findet dabei hauptsächlich Anwendung in der Chirurgie, der Dermatologie, der Kardiologie, der Orthopädie und der Ophthalmologie. Ne-ben diesen etablierten Einsatzbereichen eröffnet der Laser aber auch viele neue Perspektiven und Anwendungsfelder, die Gegenstand intensiver Forschungsaktivitäten sind.

Im Rahmen des Plenarvortrages werden die vielfältigen Wechselwirkungsmechanismen von Laserlicht und Gewebe diskutiert werden, auf deren Basis der erfolgreiche Einsatz des Lasers in der Medizin beruht. Außerdem wird ein Einblick in laufende Forschungsarbeiten gege-ben, die schon bald vielversprechende neue Anwendungsfelder erschließen werden.

Barrieren für den Energieverlust in Tokamaks: der Weg zu einem kompakteren stationären Fusionsreaktor

•O. Gruber und ASDEX Upgrade Team
Max-Planck Institut für Plasmaphysik, EURATOM-IPP Ass., Boltzmannstr. 2, 85748 Garching

Der turbulente Energietransport in toroidalen magnetischen Einschluß konfigurationen bestimmt die Dimension eines Fusionskraftwerks. In den letzten Jahren wurden sowohl am Plasmarand (H-Mode) wie auch im Plasmainneren Transportbarrieren entdeckt, die auf die Unterdrückung des turbulenten Transports durch Scherströmungen zurückzuführen sind. Die inneren Transportbarrieren (ITB) erfordern, daß die Steigung der Magnetfeldlinien nach auß en hin anwächst (``reversed shear'') oder konstant bleibt. Dies wird durch den ``bootstrap'' Strom erleichtert, den die Druckgradienten der ITB über einen thermoelektrischen Effekt selbst erzeugen.
Bei Überlagerung der ITB mit der H-Moden Randbarriere entstehen globale Einschluß bedingungen, welche Zündung in einer wesentlich kompakteren Fusionsanlage, und - wegen des starken intern getriebenen bootstrap-Stroms - auch den Dauerstrichbetrieb eines Tokamakreaktors mit geringer Leistungszufuhr von auß en ermöglichen sollten. Am Divertortokamak ASDEX-Upgrade ist es in den letzten beiden Jahren gelungen, einen ``advanced'' Betriebszustand mit gleichzeitiger innerer und Randbarriere für viele Energieeinschluß zeiten und sogar auf der Zeitskala der Stromdiffusion aufrecht zu erhalten, und - in zunächst getrennten Experimenten - solche ITBs auch unter den Bedingungen eines Fusionsreaktors (Elektronentemperatur ³ Ionentemperatur) zu erzielen.

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Zuletzt geändert am 15.01.2001

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