Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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München
Plenarvorträge

Quantencomputer - Traum und Realisierung

•Rainer Blatt
Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck und Institut für Quantenoptik und Quanteninformation, Österreichische Akademie der Wissenschaften, Innsbruck

Rechenoperationen beruhen immer auf realen physikalischen Prozessen, angefangen von der Dateneingabe, der Datendarstellung im Speicher, der Datenmanipulation in Form von Algorithmen bis hin zur Ausgabe der Endresultate. In herkömmlichen Computern können diese Prozesse klassisch beschrieben werden. Theoretisch ist seit einigen Jahren bekannt, dass mit quantenmechanischen Prozessen bestimmte Rechenoperationen sehr viel effizienter durchgeführt werden können. Daher besteht ein großes Interesse, einen Quantencomputer zu bauen. Dies erfordert die Implementierung von Quantenbits, Quantenregistern und Quantengattern sowie die Entwicklung von Quantenalgorithmen. Verschiedene Techniken zur Realisierung von Quantencomputern werden vorgestellt. Experimente zur Darstellung von Quantenregistern und Quantengattern mit gespeicherten Ionen in linearen Paul-Fallen werden diskutiert. Mit einem kleinen Quantencomputer können Bell-Zustände und verschränkte 3-Teilchen Zustände erzeugt und vermessen werden. Als eine erste Anwendung werden effiziente Präzisisonsmessungen mit verschränkten Zuständen vorgestellt.

Mit Strahlung gegen Krebs: Neue Ansätze und Methoden in der Medizinischen Physik

•Wolfgang Schlegel
Universität Heidelberg und Deutsches Krebsforschungszentrum, Abteilung Medizinische Physik, Im Neuenheimer Feld 280, 69120 Heidelberg - Träger des Deutschen Krebspreises 2003

Die Strahlentherapie ist neben der Chirurgie die derzeit wichtigste Form der Behandlung bösartiger Tumorerkrankungen. Die Einführung der modernen Strahlentherapie mit hochenergetischen Röntgenstrahlen, erzeugt mit Elektronenlinearbeschleunigern im Energiebereich zwischen etwa 6 und 20 MeV, begann etwa vor 50 Jahren. Wesentliche Fortschritte und damit auch deutliche Verbesserungen der Behandlungsergebnisse haben jedoch erst in den letzten 10-15 Jahren stattgefunden. Dazu haben vor allem die modernen dreidimensionalen bildgebenden Verfahren der Medizin (Röntgen-Computer-Tomographie und Magnet-Resonanz-Tomographie), die Entwicklung von 3D-Computerplanungsprogrammen sowie neue, hochpräzise Bestrahlungstechniken mit rechnersteuerbaren Kollimatorsystemen beigetragen. Eine weitere deutliche Steigerung der Wirksamkeit von Strahlenbehandlungen wird nun von der Intensitätsmodulierten Strahlentherapie (IMRT) erwartet, die derzeit in vielen Kliniken weltweit eingeführt wird. Der IMRT liegt eine neue Computerplanungs-Strategie nach dem inversen Prinzip und die Applikation inhomogener Strahlenfelder zugrunde. Damit gelingt es, auch sehr unregelmäßig geformte Tumoren hochdosiert und tumorkonform zu bestrahlen, ohne benachbartes gesundes Gewebe zu schädigen [1,2]. Weitere Fortschritte werden mittelfristig erwartet durch die Berücksichtigung strahlenbiologisch unterschiedlicher Substrukturen des Tumors, die sich durch biologische Bildgebung mit PET und fMRI erfassen lassen, sowie durch die Kompensation von Bewegungen und Veränderungen des Tumors während der Strahlenbehandlung im Sinne einer biologisch und zeitlich adaptierten Therapie.

Da Strahlung schwererer geladener Teilchen (z.B. Protonen- oder ¹²C-Strahlung) gegenüber hochenergetischer Röntgenstrahlung sowohl aus physikalischer als auch aus strahlenbiologischer Sicht deutliche Vorteile in der Tumorbehandlung aufweisen, werden sich zukünftige Entwicklungen auch auf dieses Gebiet der Hadronen-Strahlentherapie konzentrieren [2,3]. Erste Erfahrungen in der ¹²C-Therapie wurden in den letzten 5 Jahren an der GSI in Darmstadt gesammelt. In Deutschland wurde 2003 mit dem Bau klinischer Hadronen-Therapieanlagen begonnen.

[1] Schlegel W: Strahlentherapie heute: präzise, effektiv und sicher. Spektrum der Wissenschaft Spezial: Krebsmedizin II, (2003) 66-70

[2] Schlegel W, Mahr A.: 3D Conformal Radiation Therapy, Multi-Media Introduction to Methods and Techniques. Springer, Berlin, Göttingen Heidelberg, NewYork, Tokyo (2001)

[3] Debus, J., Henke-Wendt, K.: Schwerionen-Therapie. Spektrum der Wissenschaft Spezial: Krebsmedizin II, (2003) 71-73

Beschleunigermassenspektrometrie - Spurenisotopenmessungen auf neuen Bahnen

•Walter Kutschera
VERA-Laboratorium, Universität Wien, Österreich

Beschleunigermassenspektrometrie (AMS = Accelerator Mass Spectrometry) weist langlebige Radioisotope nicht durch den Zerfall sondern durch direktes Zählen der Atome nach. AMS kann daher auf beliebig langlebige (auch stabile) Isotope angewendet werden. Die extrem hohe Selektivität der Methode erlaubt geringste Isotopenverhältnisse im Bereich von 10^-12 bis 10^-16 zu messen und öffnete damit das Tor zum Nachweis langlebiger Radionuklide mit zum Teil millionenfach gesteigerter Nachweisempfindlichkeit. Dadurch wurden Anwendungen möglich, die mit den klassischen Zerfallsnachweismethoden undenkbar waren. Im Vortrag sollen sowohl die neuesten technischen Entwicklungen von AMS (z.B. Minaturisierung) als auch aktuelle Anwendungen für spezifische Isotope (von ¹⁴C bis ²⁴⁴Pu) diskutiert werden. Auch auf eine alternative Technik der Atomzählmethode, die Lasermassenspektrometrie, soll kurz eingegangen werden.

Zukünftige Optionen für die Entsorgung von hochradioaktiven Abfällen

•Kurt Kugeler
Lehrstuhl für Reaktorsicherheit und
-technik, RWTH Aachen, D-52062 Aachen und Forschungszentrum Jülich, D-52425 Jülich

Für die zukünftige langfristige Kernenergienutzung werden zwei Entsorgungsoptionen verfügbar sein: 1) die direkte Endlagerung abgebrannter Brennelemente oder hochaktiver Glaskokillen aus der Wiederaufarbeitung, 2) die Endlagerung sehr geringer langlebiger Reststoffmengen nach zusätzlichem Partitioning und Transmutation, beides in geologischen Formationen. Das derzeit wesentliche Argument für die zweite Variante ist, dass die Nachweisdauer für die Endlagerung von rund 1 Million Jahren auf rund 1000 Jahre verkürzt werden kann, da dann bereits eine ähnlich niedrige Radiotoxizität wie für eine Uranerzlagerstätte erreicht wird. Demgegenüber sind erheblich größere technische Aufwendungen im Vergleich zur direkten Endlagerung notwendig.

Beide Varianten müssen wissenschaftlich fundiert im Hinblick auf eine Reihe von Vergleichsaspekten analysiert und bewertet werden, ehe fundierte Entscheidungen möglich sind. Entscheidungsrelevante Gesichtspunkte sind: Toxizitätsindizes, Proliferationsaspekte, Plutoniumvernichtung bzw. -nutzung, Störfallmöglichkeiten, technisch bedingte und radiologisch bedingte Risiken, Freisetzungen im Betrieb, Nachweismöglichkeiten, Beurteilung von Langzeitaspekten, Kosten, Stand der Technik, technischer Aufwand und Komplexität, Akzeptanzfragen, Offenhalten von Optionen, energetische Aspekte, Entwicklungsmöglichkeiten.

In diesem Beitrag werden heute bekannte Konzepte für Partitioning und Transmutations-Verfahren diskutiert (Stand bei Trennverfahren, Realisierungsmöglichkeiten für Targets, Protonenfenster, Kühlsysteme, Gesamtauslegung von ADS-Anlagen) und es werden Hinweise zu den oben angesprochenen Vergleichsaspekten gegeben. Auch die umfangreichen internationalen Bemühungen auf diesem Gebiet werden angesprochen.

Clusters as precursurs of nano-objects

•Catherine Bréchignac
Laboratoire Aimé Cotton CNRS, Orsay, Frankreich

Investigations of clusters made up from a few atoms, to several thousand atoms, from one to several tens of nanometers in diameter open new avenues for explorations of the physical factors and principles that underlie the transition from atomic and molecular regime to the condensed phase regime. The transition of matter from atomic to the solid state implies changes of organization which turn out to be more subtle and complex than was aticipated from scaling law.

The methods of synthesizing small particles based on agglomerating atoms or molecules, form objects whose size is comparable to the nanostructures obtained by sculpting the material microscopically, by nano-lithography or nano-engraving for example. When it is isolated the cluster can be considered as a prototype of small finite system and constitute a tool for exploring the unexpected and unique properties of small finite objects, where each atom counts. When interacting they offer the possibility of use as elementary building blocks for new nano-architectures, making possible the control of matter at nanometer scale. In the light of several examples this paper will discuss the issues of the electronic excitation, the stability, the reactivity of metallic clusters as well as the new architectures made by self-organization of deposited clusters.

Quanteninterferenz in der Fluoreszenz einzelner Atome und Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung

•Herbert Walther
Sektion Physik der Universität München und Max-Planck-Institut für Quantenoptik, D-85748 Garching bei München

Über die Quanteninterferenz des Fluoreszenzlichtes eingefangener Ionen lässt sich eine Verschränkung der Teilchen erzielen. Als Konsequenz wird eine Reihe von Phänomenen der Quanteninformation beobachtbar. Ein spektakuläres Beispiel ist, dass der Quanten-Such-Algorithmus (Grover-Algorithmus) ohne die Beobachtung der Spin-Dynamik der Ionen realisiert werden kann.

Echtzeit-Neurodynamik

•Klaus Hepp
Institut für Theoretische Physik, ETH Hönggerberg, HPZ F 10.4, CH-8093 Zürich, Schweiz - Träger der Max-Planck-Medaille

Struktur und Funktion zu verknüpfen ist das zentrale Problem der Neurobiologie. Als Physiker ist man eher in der Strukturforschung (Instrumentierung, Biophysik von neuronalen Netzen) erfolgreich, aber schon Helmholtz gelang eine meisterhafte Synthese von Struktur und Funktion in der Sinnesphysiologie und der Kontrolle der Augenbewegungen. Moderne Methoden erlauben es, in die "`graue Box"' hineinzuschauen. Da das Gehirn in Echtzeit komplexe sensomotorische Transformationen implementiert, kann man heute in der Verknüpfung von Sehen, Bewegungssinn und Oculomotorik hochinteressante "`Berechnungen"' durch das Gehirn verfolgen. Dies will der Vortragende an Beispielen illustrieren und mit einem Konstrukt der neuromorphen Robotik vergleichen, mit "`Ada"', dem intelligenten Raum, der vom Zürcher Institut für Neuroinformatik für die Schweizerische Landesausstellung Expo.02 geschaffen wurde.

Dynamic properties of liquid films

•Dominique Langevin
Laboratoire de Physique des Solides, UMR 8502 - Université Paris-Sud, Bât. 510 - 91405 Orsay cedex - Trägerin des Prix Gentner-Kastler

Surfactant molecules adsorb at liquid interfaces forming monomolecular layers that give remarkable properties to these surfaces. They allow in particular to stabilize freely suspended liquid films, the so called ``soap films'', similar to those that cover the bubbles surface in foams. When the liquid possesses a microstructure, and when the film surfaces are close enough (less than 100nm), a film stratification (ordering) is observed. We have used aqueous solutions of ionic polymers (polyelectrolytes) that form networks in bulk when the polymer concentration is high enough. Such liquids also order when confined, at the difference of neutral polymers, where no long range electrostatic interactions are present. We have measured both the forces between surfaces, that are oscillatory, and the stratification kinetics. When the polymer is co-adsorbed with the surfactant at the surface, the local viscosity is higher than the bulk solution viscosity, and when the polymer is not adsorbed, the viscosity is smaller. This is in agreement with other types of measurements of the viscosity of confined fluids with different boundary conditions at the surfaces (slip or no-slip). The film rupture will also be discussed.

References

D. Langevin, ``Stratification of foam films made from polyelectrolyte solutions'', Eur. Phys. J. E 5, 2001, 81.

C. Marquez, S. Guillot, D. Langevin, ``Stratification Phenomena in Thin Liquid Films Containing Polyelectrolytes and Stabilized by Ionic Surfactants'', Macromolecules 36, 2003, 8506.

Erschließung neuer experimenteller Möglichkeiten und stärkere Ausprägung der Selbsttätigkeit der Schülerinnen und Schüler - Wege zu einem besseren Verstehen der Physik

•Hans-Joachim Wilke
Institut für Angewandte Physik und Didaktik der Physik, TU Dresden - Träger des Robert-Wichard-Pohl-Preises

Die intensive Beschäftigung der Schülerinnen und Schüler mit der Physik kann durch attraktive, gut beobachtbare und leicht verständliche Demonstrationen gefördert werden. Durchschaubare experimentelle Anordnungen, langsame Bewegungsabläufe, neue Experimentiertechniken und der Bezug zu ihren Erfahrungen wirken sich dabei förderlich aus. Parallelexperimente, in denen z. B. die Teilexperimente nicht zeitlich nacheinander sondern räumlich nebeneinander durchgeführt werden, können die Auswertung vereinfachen und die Aktivität der Schülerinnen und Schüler erhöhen. Insbesondere die Weiterentwicklung experimenteller Verfahren wird durch Beispiele belegt. Kunststofflaschen und Blechdosen sind z. B. leicht beschaffbare und wegen ihrer spezifischen Eigenschaften universell einsetzbare experimentelle Hilfsmittel, die gut bearbeitet werden können. Beim Selbstbau von einfachen oder auch komplizierteren Geräten lernen die Schülerinnen und Schüler das Wirkprinzip besser verstehen und werden zum Schöpfertum angeregt. Beispiele aus der Physik, der Physikgeschichte, der Technik und der Technikgeschichte zeigen, dass damit gleichzeitig fächerübergreifende Bezüge deutlich werden. Derartige Aufgabenstellungen können sich fruchtbar auf den Physikunterricht auswirken oder auch in Jahresarbeiten oder besonderen Lernleistungen von einzelnen Schülern bearbeitet werden.

Das IYPT - ein spannender Teamwettbewerb

•Bernd Kretschmer
Hans-Thoma-Gymnasium, Baumgartnerstraß e 26, 79540 Lörrach - Träger des Georg-Kerschensteiner-Preises

Das International Young Physicicts' Tournament (IYPT) ist ein anspruchsvoller Teamwettbewerb für Schüler/innen. Es handelt sich bei den IYPT-Projekten zumeist um offene Fragen, deren Antworten selten durch Nachschlagen in Fachliteratur gefunden werden können. Die Lösungen müssen die Schüler/innen selbst erarbeiten, sei es durch Aufstellen von neuen Theorien, Programmierung von speziellen Simulationen und fortwährende experimentelle Überprüfung der Resultate. Viele der Kompetenzen, die heute in der bildungspolitischen Diskussion und durch die Bildungsstandards gefordert werden, entwickeln wir bei der Vorbereitung des Wettbewerbs schon seit langer Zeit. Über die Forschungsaufgaben, die Auswahl der Teammitglieder und den Ablauf des Turniers wird in meinem Vortrag berichtet.

Schülerforschungszentrum - eine auß erunterrichtliche Förderung des naturwissenschaftlichen Nachwuchses

•Rudolf Lehn
Schülerforschungszentrum am Störck-Gymnasium, Liebfrauenstraß e 1, 88348 Bad Saulgau - Träger des Georg-Kerschensteiner-Preises

In der süddeutschen Kleinstadt Bad Saulgau hat die Förderung des Physiknachwuchses eine lange Tradition. Seit mehreren Jahren zeichnet sich das Schülerforschungszentrum (SFZ) als erfolgreiche Talentschmiede des naturwissenschaftlichen Schülernachwuchses aus. Die Basis des SFZ bildet das International Young Physicists' Tournament (IYPT). Das Forschungszentrum ist zu einer bedeutenden Wissensbörse und einem attraktiven überregionalen Forschungszentrum für neugierige Jugendliche und auß erdem zu einer engen Kontaktstelle zu den Universitäten geworden. Künftig werden im SFZ auch die Kinder der Grundschule im Fokus sein. Ihre ursprüngliche Neugier soll aufgenommen, gefestigt und im Unterricht berücksichtigt werden.

Charakterisierung von Tunnelmagnetowiderstands (TMR)-Elementen mit magnetostriktiver Messschicht - Eine neue Generation von Dehnungssensoren

•S. Dokupil, M. Löhndorf und E. Quandt
Stiftung caesar, Ludwig-Erhard-Allee 2, 53175 Bonn - Trägerin des Georg-Simon-Ohm-Preises

Dehnungssensoren kommen überwiegend in den Bereichen des Maschinenbaus, der Automobilindustrie, Mess- und Medizintechnik zum Einsatz. Eine neue Generation von Dehnungssensoren konnte durch die Kombination von Tunnelmagnetowiderstandselementen, die schon aus der magnetischen Speichertechnologie (MRAM) bekannt sind, und magnetostriktiven Messschichtmaterialien geschaffen werden [1]. Diese Art von Sensor ist zur Bestimmung mechanischer Größen, wie z.B. Druck- oder Zugspannungen, vorgesehen. Der wichtigste Vorteil gegenüber herkömmlichen Dehnmessstreifen oder piezoresistiven Dehnungssensoren ist eine erheblich größere Empfindlichkeit (Verstärkungsfaktoren von 300-600). Zusätzlich besteht die Möglichkeit zur Massenproduktion auf unterschiedlichen Substraten mittels Standardtechnologien der Mikrosystemtechnik, z. B. können 10000 Sensorelemente auf einem 4'' Wafer untergebracht werden. Die Integration der Sensorstrukturen in CMOS-Prozesse ist angestrebt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene magnetostriktive TMR-Sensoren im Hinblick auf die Auswahl der magnetostriktiven Schicht und der Größe und Gestalt der Tunnelbarriere charakterisiert. Dazu wurden neben Vibrationsmagnetometer-Messungen im wesentlichen 4-Punkt-Biegemessungen im Magnetfeld durchgeführt. Die nach einem energetischen Modell erwarteten Abhängigkeiten vom Vorzeichen der Magnetostriktion wie auch von der mechanischen Spannung sowie der Einfluss der Formanisotropie konnte experimentell nachgewiesen werden. Durch spezielle Orientierung der magnetischen leichten Richtung konnten ferner Sensoren realisiert werden, die sowohl auf Druck- als auch auf Zugspannung sensitiv sind. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden mit denen von alternativen magnetostriktiven Dehnungssensoren verglichen und im Hinblick auf potentielle Anwendungen diskutiert.

Das Projekt wird von dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt (Förderungsnummer: 13N8492).

[1] M. Löhndorf, S. Dokupil, M. Rührig, J. Wecker, E. Quandt: Characterization of magnetic tunnel junctions (MTJ) with magnetostrictive free layer materials, J. Magn. Magn. Mat., in press (2003).

Korngrenzen Mechanik - Neue Ansätze zur Beeinflussung der Mikrostruktur

•Myrjam Winning
Institut für Metallkunde und Metallphysik, RWTH Aachen, Kopernikusstr.14, 52056 Aachen - Trägerin des Hertha-Sponer-Preises

Die Bewegung der Korngrenzen ist der fundamentale Prozess der Rekristallisation und des Kornwachstums, um die Gefügeentwicklung eines Materials zu steuern ist es notwendig, die Mechanismen, die die Korngrenzenbewegung bestimmen, zu verstehen und so zu quantifizieren, dass daraus Modelle entwickelt werden können, die die Mikrostrukturentwicklung während wichtiger technischer Prozesse wie Umformung und Rekristallisation beschreiben und das Materialverhalten sowie die Werkstoffeigenschaften voraussagen können.

Die Dynamik von Korngrenzen hängt von einer Vielzahl von Parametern ab, insbesondere die treibende Kraft spielt eine wichtige Rolle, da sie den Prozess der Korngrenzenbewegung aktiviert. Neuere Experimente zeigen, dass es möglich ist, ebene Korngrenzen mit Hilfe einer mechanischen Spannung, welche von aussen auf die Korngrenzen aufgebracht wird, zu bewegen. Der Bewegungsmechanismus ist dabei mit der Bewegung der strukturellen Versetzungen in der Korngrenze korreliert. Besonders wichtig für die Mikrostrukturentwicklung ist dabei, dass neben Kleinwinkelkorngrenzen auch Großwinkelkorngrenzen mit mechanischen Spannungen wechselwirken können, und dass es einen sehr scharfen Übergang von Kleinwinkel- zu Großwinkelkorngrenzen gibt.

Exotische Kerne auf die Waage gestellt

•Klaus Blaum
CERN, Division EP, CH-1211 Genf 23, Schweiz und GSI, D-64291 Darmstadt, Deutschland - Träger des Gustav-Hertz-Preises

Die Masse eines Atoms bzw. Atomkerns ist einzigartig wie ein Fingerabdruck und daher eine der fundamentalsten Größen in der Atom- und Kernphysik. Neben der eindeutigen Identifizierung machen Präzisionsmassenmessungen an kurzlebigen Nukliden Kernstruktureffekte sichtbar, legen die Grenzen der Stabilität genauer fest und erlauben, Kernmodelle zu testen und ihre Vorhersagekraft zu verbessern. Die Bestimmung der Q-Werte übererlaubter b-Zerfälle stellt einen wichtigen Beitrag dar zum Test der schwachen Wechselwirkung und der Unitarität der Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix und damit eine Überprüfung des Standardmodels. Darüber hinaus ist die Kenntnis der Massen von Kernen fernab der Stabilität wichtig, um Nukleosyntheseprozesse in der Astrophysik zuverlässig modellieren zu können.

Zur Bestimmung der Bindungsenergien kurzlebiger Radionuklide wird am on-line Isotopenseparator ISOLDE/CERN das Penningfallen-Massenspektrometer ISOLTRAP eingesetzt. Die Massenmessung der gespeicherten Ionen erfolgt durch Messung der Zyklotronfrequenz in einem homogenen Magnetfeld. Mit ISOLTRAP können Atommassen von Radionukliden, die nur in geringsten Mengen von 100 Ionen pro Sekunde produziert werden und nur eine Halbwertszeit von wenigen 10 ms haben, mit einer Genauigkeit von 1·10^-8 bestimmt werden. Das hohe Auflösungsvermögen von ISOLTRAP von bis zu 10 Millionen ermöglichte kürzlich, einen isomerenreinen Ionenstrahl zu präparieren, was neuartige Experimente ermöglicht. Zudem wurden Kohlenstoffcluster als Referenzmassen eingeführt, die erstmals absolute Massenmessungen gegen den mikroskopischen Massenstandard erlauben. Die wichtigsten ISOLTRAP-Ergebnisse werden vorgestellt und diskutiert.

Wo Einstein nicht recht hatte und trotzdem Wichtiges sagte

•Anton Zeilinger
Institut für Experimentalphysik, Universität Wien und Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften

Albert Einstein kritisierte die Quantenphysik aus verschiedenen Gründen. Zum einen erkannte er sehr früh, dass der Zufall bei Quantenphänomenen eine völlig neue Rolle spielt. Sein Ausppruch „Gott würfelt nicht“ ist ja sehr bekannt. Des weiteren verwendete er Argumente aufbauend auf die von Schrödinger so benannte „Verschränkung“ von Quantensystemen, um zu argumentieren, dass die Quantenphysik unvollständig sei. Heute wissen wir, dass Einstein hier nicht Recht hatte. Nicht nur dies, der Zufall und die Verschränkung spielen eine zentrale Rolle in neuen Ideen zur Informationsübertragung und Informationsverarbeitung, etwa in Quantenkryptographie, in Quantenteleportation und beim Quantencomputer. Einstein ist allerdings zugute zu halten, dass er mit seiner Kritik die wohl tiefsten Fragen der Modernen Physik für unser Weltverständnis aufwarf.

From molecules to planets: the importance of molecular processes in space

•Ewine F. van Dishoeck
Leiden Observatory, P.O. Box 9513, 2300 RA Leiden, The Netherlands

More than 120 different molecules have been detected in interstellar space, ranging from simple species like H₂ and CO to fairly complex organic molecules such as CH₃OCH₃, C₂H₅CN and certain classes of polycyclic aromatic hydrocarbons.

In this talk, an overview will be given of recent observations of molecules, both in the gas and in the solid state, using new facilities in space and on the ground at optical, infrared and millimeter wavelengths.

The results will be discussed in the context of the gas-phase and gas-grain processes occurring at the extremely low temperatures and densities in space. In addition, the use of molecules to trace the formation of new stars and planetary systems deep inside the dark molecular clouds is illustrated.

The importance of complementary laboratory and theoretical chemistry studies in emphasized. The prospects for future facilities such as the Atacama Large Millimeter Array, the Herschel Space Observatory, and the James Webb Space Telescope (the successor of the Hubble Space Telescope) will be discussed.

[1] van Dishoeck et al. 2003, Messenger 113, 49

[2] Pontoppidan et. al. 2003, Astron. Ap. 408, 981

[3] See http://www.strw.leidenuniv.nl/ ewine/e-prints/ for recent papers and reviews.

Atomphysik in starken Laserfeldern

•Wolfgang Sandner
Max-Born-Institut, Max-Born-Str. 2a, 12489 Berlin

Die Entwicklung von Kurzpulslasern zu immer höheren Spitzenleistungen und Intensitäten ist seit mehr als einem Jahrzehnt eines der dynamischsten Gebiete weltweit; ein Ende aufgrund physikalischer Grenzen ist nicht unmittelbar in Sicht. Heutige Spitzenintensitäten liegen jenseits von 10²⁰ W/cm², entsprechend elektrischen Feldstärken von über 10¹¹ V/cm oder 100 atomaren Einheiten. Die Wechselwirkung solcher externer Felder mit komplexen Vielteilchensystemen wie Atomen oder Molekülen, deren interne Bindungsfeldstärken innerhalb einzelner Teilchen den Bereich von 1 bis über 1000 atomaren Einheiten überdecken können, ist ein hochaktuelles Gebiet nichtlinearer Dynamik. Es wird zusätzlich beeinflusst durch Stöße mit freien oszillierenden Elektronen mit bis zu relativistischer Energie. Die Experimente wurden in den letzten Jahren revolutioniert durch differentielle Spektroskopietechniken aus der Stoßphysik, kombiniert mit neuen Entwicklungen aus der Laserphysik höchster Intensitäten und phasenkontrollierter Wenig-Zyklen-Pulse. Die Analyse der Ionisationsprozesse zeigt die enge Verflechtung atomarer Dynamik und Korrelation in zeitabhängigen externen Feldern mit lasergetriebenen Elektron-Ion-Stößen. Die Ergebnisse können mit modernen theoretischen Methoden einschließlich der Quantentrajektorien- Analysen interpretiert werden.

Technoscience and Ethical Questions in the New Century

•John Ziman
Oakley, Aylesbury, Bucks, England

Science is still advancing phenomenally. There's no saying what physicists will discover and/or invent. Go for it: enjoy the age-old problem-solving game. But the new century brings new rules to the search for knowledge. As projects become larger, more multidisciplinary, more technological, more 'relevant', they pose serious ethical questions. Are the goals of the research morally acceptable? Is it being funded by a reputable institution? Who, amongst a diversity of colleagues, is responsible for its technical integrity? Will it be conducted honestly? Might its methods infringe human rights? Will its findings be treated fairly? And so on.

'Technoscience' contributes amazingly to our civilisation. But it is entangled in a dynamic web of conflicting interests - commercial, political, ideological, legal, humanitarian, etc. The value of authentic scientific knowledge to society depends on its independence from all such influences. Good research is not cheap, so there is no return to the ivory tower. The big ethical question for science - and scientists - is how they can now preserve their hard-won reputation for social, moral and intellectual objectivity.

[1] Ziman, J. M.: Real Science: What it is and what it means. (Cambridge: 2000).

Laserspektroskopie an isolierten Basenpaaren und Peptiden

•Karl Kleinermanns
Heinrich Heine Universität, Universitätsstr. 26.43.02, D-40225 Düsseldorf

Das Verhalten biologischer Systeme folgt aus den Eigenschaften ihrer wichtigsten Bausteine und deren Zusammenspiel. In den letzten Jahren hat das Studium isolierter Biomoleküle und ihrer Dynamik durch die Weiterentwicklung der Laserdesorption in Kombination mit adiabatischer Abkühlung in Düsenstrahlen und laserspektroskopischen Doppelresonanzmethoden einen starken Aufschwung erfahren. Im Vortrag werden diese Methoden erläutert und ihre Anwendung auf Tautomerie und Konformerenbildung, elektronische Zustände, Schwingungsdynamik und Reaktivität am Beispiel der vier Nukleobasen, ihrer Basenpaare sowie der Faltung kleiner Peptide gezeigt.

[1] „Pairing of isolated nucleic-acid bases in the absence of the DNA backbone“, Eyal Nir, Karl Kleinermanns Mattanjah S. de Vries, NATURE, Vol. 408, 21/28 December 2000

[2] Properties of isolated DNA bases, base pairs and nucleosides examined by laser spectroscopy, E. Nir, Ch. Plützer, K. Kleinermanns, M. de Vries, Eur. Phys. J. D. 2002, 20, 317-329

[3] „Tautomers and electronic states of jet-cooled adenine investigated by double resonance spectroscopy“, Chr. Plützer, K. Kleinermanns, Phys. Chem. Chem. Phys. 2002, 4, 4877-4882

[4] „REMPI and UV-UV double resonance spectroscopy of tryptophan ethylester and the dipeptides tryptophan-serine, glycine-tryptophan and proline-tryptophan“, I. Hünig, K. Kleinermanns, Chem. Phys. Lett. 2003, 369, 173-179

Biological systems as nano-engineered systems

•Steven Chu
Physics Department, Stanford University, USA

The study of biological systems at the molecular scale may teach us lessons that may be useful for nano-scale engineering: many of the molecular scale systems found in biology are impressive. Given the billions of years of development time for bugs (bacteria) to engineer the bugs out of their systems, it may worthwhile to learn about how biology goes about its business at the molecular scale. I will describe biology solutions to two engineering challenges: how an enzyme efficiently cleaves a covalent bond [1], and how the ribosome is able to accurately read messenger RNA and translate this message into the string of amino acid chains that fold into a protein [2].

In order to develop a mechanistic understanding of these biological systems function, we used fluorescence microscopy with photon counting sensitivity to follow the internal motion of individual bio-molecules and how they interact with other molecules. The ability to observe transient states and dynamical fluctuations have enabled us to discover new biological states and link the wealth of structural and biochemical data to create mechanistic models of enzyme activity.

[1] The Relationship between Structural Dynamics and Function of a RNA enzyme - A Single Molecule Study of the Hairpin Ribozyme, Xiaowei Zhuang, Harold Kim, Miguel Pereira, Hazen P. Babcock, Nils Walter, Steven Chu, Science 296, 1473-1476 (2002).

[2] Unpublished work done with Scott Blanchard, Ruben Gonzales, Harold Kim, and Jody Puglisi.

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Zuletzt geändert am 08.03.2004

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