Vorträge im SS 2003

Festvortrag aus Anlass der Emeritierung von Herrn Prof. Dr. Friedrich Wagner und dem 60. Geburtstag von Herrn Prof. Dr. Heinz Georg Schuster 
Prof. Dr. Reinhard F. Werner, Technische Universität Braunschweig

Quanteninformation - eine neue Physikalische Größe (8. Juli 2003)

Dass quantenmechanische Teilchen Information übertragen können, ist offensichtlich. Danach zu fragen, welcher Art diese Information ist, und wie sie sich vielleicht von klassischer Information unterscheidet, hat in den letzten Jahren zu einer interessanten neuen Sichtweise der Quantenmechanik geführt. Einige klassisch selbstverständliche Operationen werden quantenmechanisch unmöglich, wie etwa das Kopieren, das störungsfreie Lesen, und das Übersetzen in andere klassische Repräsentationsformen. Andererseits eröffnet das Superpositionsprinzip auch neue Möglichkeiten, wie verschränkte Zustände, die Teleportation und den Quantencomputer. Der Vortrag gibt einen Überblick über die charakteristischen Unterschiede zwischen klassischer und Quan-teninformation, ohne den Formalismus der Quantentheorie zu benutzen.
 
Dr. Martin S. Brandt, Walter Schottky Institut, Technische Universität München

Herausforderungen hybrider Festkörper (8. Juli 2003)

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Festkörperphysik sehr erfolgreich mit der Untersuchung und der Anwendung von Materialien mit ganz spezifischen physikalischen Eigenschaften beschäftigt, u.a. mit Halbleitern, Supraleitern und magnetischen Materialien. Um mit Festkörpern neue Funktionalitäten realisieren zu können, ist jedoch die Entwicklung hybrider Strukturen unerlässlich. So werden z.B. für die Manipulation und Charakterisierung von bioorganischen Systemen Heterostrukturen aus Halbleitern und bioorganischen Funktionalisierungsschichten benötigt, während Schichtstrukturen aus Halbleitern und Ferromagneten für eine auf Spin basierende Elektronik notwendig sind. Dabei werden die physikalischen Eigenschaften solcher hybriden Systeme entscheidend durch ihre Grenzflächen bestimmt. Im Vortrag werden exemplarisch einige grundlegende Fragestellungen solcher Strukturen diskutiert und Methoden zu ihrer experimentellen Untersuchung skizziert.
 
Dr. Jeroen Goedkoop, University of Amsterdam, van der Waals- Zeemann Institut

Soft x-ray resonant scattering as a probe of magnetic structure and dynamics (8. Juli 2003)

In this talk I will give an overview of the use of soft x-ray resonant scattering for the study of magnetic structure and dynamics. After a brief introduction of resonant scattering I will present a case study of magnetic stripe domains in GdFe thin films showing that the three vector components of complicated domain structures can be followed over the magnetization loop with a resolution of 20 nm. This will be followed by a discussion of coherent diffraction experiments that give access to the local magnetic correlation function with possible applications in the study of slow magnetic dynamics. Lastly I will present first results in subnanosecond time resolution X-ray magnetic resonant scattering (XRMS) experiments using a pump-probe scheme. Using this technique we have studied the nucleation dynamics of films with perpendicular anisotropy in variable static bias fields perpendicular to the film plane. For bias fields that saturate the sample in the direction opposite to the pulse field we observe scattering related to the domain nucleation process. On the other hand, for bias fields where a static domain structure already exists, surprisingly the period of the stripe domains does not change during the pulse, while the total scattered intensity changes by an order of magnitude.
 
Dr. Klaus Sokolowski-Tinten, Institut für Experimentelle Physik Universität Duisburg-Essen, Standort Essen Röntgenbeugung mit Femtosekunden Zeitauflösung:

Neue Möglichkeiten zur Untersuchung ultraschneller Prozesse in Festkörpern (8. Juli 2003)

Unsere gegenwärtigen Kenntnisse über die atomare Struktur der Materie basieren zu einem großen Teil auf der Verwendung von Röntgenbeugungstechniken, da elektro-magnetische Strahlung mit Wellenlängen im Ångström-Bereich einen direkten Zugang zur Längenskala inter-atomarer Abstände, z.B. in Molekülen oder Festkörpern, bietet. Allerdings handelte es sich bis jetzt im wesentlichen um ein quasi statisches Bild. Betrachtet man nämlich die Elementarprozesse (z.B. Schwingungen, Brechen chemischer Bindungen), die zu Änderungen der mikroskopischen atomaren Konfiguration der Materie führen, so finden diese auf einer Zeitskala im Piko- und Femtosekundenbreich (10-14 bis 10-12 s) statt. In diesem Zeitbereich, bisher die Domäne der optischen Ultrakurzzeitspektroskopie, eröffnen sich durch die jüngsten Entwicklungen zur Erzeugung ultrakurzer Impulse im harten Röntgenbereich ganz neue Möglichkeiten. Femtosekunden Röntgenimpulse verbinden in einzigartiger Weise atomare räumliche Auflösung mit der für die Verfolgung elementarer atomarer Prozesse notwendigen Zeitauflösung. Der Vortrag gibt eine Einführung in die Erzeugung ultrakurzer multi-keV Röntgenimpulse mittels laser-getriebener Plasmen und diskutiert ihre Anwendung für zeitaufgelöste Röntgenbeugungsexperimente, die sich u.a. mit der Untersuchung kohärenter Gitterschwingungen sehr hoher Amplitude [1] und strukturellen Phasenübergängen [2] in impulsiv angeregten Festkörpern beschäftigen.
 
Priv. -Doz. Dr. Klaus Brandenburg, Forschungszentrum Borstel

Physik und Blutvergiftung (1. Juli 2003)

Dass Physik zum Verständnis fundamentaler Prozesse der Entstehung einer Krankheit beitragen kann, möchte ich am Beispiel der Blutvergiftung (Sepsis), einer Infektion, die durch bakterielle Bestandteile, sogenannte Virulenzfaktoren hervorgerufen wird, aufzeigen. In schweren Fällen kann die Sepsis zum septischen Schock mit Multiorganversagen führen, was in über 50 % der Fälle zum Tode führt. Trotz der Entwicklung einer Vielzahl von Antibiotika ist es bis heute unmöglich, eine schwere Blutvergiftung erfolgreich zu therapieren. Die initialen Wechselwirkungsmechanismen der Virulenzfaktoren mit Zellen des Immunsystems sind weitgehend unverstanden, ein Verständnis wäre aber Vorraussetzung für eine gezielte therapeutische Strategie. Wir haben postuliert, dass generelle physikalische Prinzipien der Wechselwirkung zugrunde liegen und haben uns daher die Aufgabe gestellt, diese beispielhaft für den hier im Vordergrund stehenden Virulenzfaktor Endotoxin (chemisch: Lipopolysaccharid, LPS) zu ermitteln. Wir konnten zeigen, dass das Endotoxin mit den Zielzellen als Aggregat und nicht als Monomer interagiert, und die Aggregate über membranständige Fusionsproteine in die Zielzellmembran eingebaut werden. In Abhängigkeit von der Aggregatstruktur kommt es unter anderem zu einer Aktivierung eines mechanosensitiven Kalium-Kanals und damit zur Aktivierung der Immunzellen. Methoden: SAXS mit Synchrotronstrahlung, weitere spektroskopische Verfahren (FRET, FTIR), Patch-Clamp.
 
PD Dr. Sabine Möhler, Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Kiel

Wie messen Astronomen das Alter des Universums? (Antrittsvorlesung)

Die Frage nach dem Alter des Universums ist eine der grundlegenden Fragestellungen der Astrophysik. In meiner Antrittsvorlesung möchte ich zwei der wichtigsten Methoden vorstellen, mit denen Astronomen dieses Problem angehen: Die Bestimmung des Alters der ältesten Sterne und die Messung der Expansionsgeschwindigkeit des Universums über die Hubblekonstante.
 
Prof. Dr. Martin Müller, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Kiel

Die Händigkeit von Holz (Antrittsvorlesung)

Holz ist ein auf Längenskalen von Millimetern (Jahrringe) bis hinab zu Nanometern (Zellulose-Moleküle) hierarchisch aufgebautes Biomaterial. Die Händigkeit (Chiralität) des Zellulose-Moleküls führt zu interessanten Helix-Strukturen im Holz mit Auswirkungen auf die makroskopischen Materialeigenschaften. Selbst beim Holzprodukt Papier sind überraschende chirale Effekte zu beobachten. Im Rahmen des Vortrags werde ich die Händigkeit von Holz und Papier an einigen Experimenten demonstrieren. Die Verbindung zwischen Struktur auf der Nano- und Mikro-Ebene und makroskopischen Eigenschaften wird mit Untersuchungen der Morphologie von Holz mit ortsaufgelöster Mikrostrahl-Röntgenstreuung mit Synchrotronstrahlung hergestellt. Diese Technik wird zum Teil in situ mit mechanischen Tests kombiniert, um die hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Holz -- hohe Stabilität bei geringer Dichte -- und deren biologische Optimierung besser zu verstehen.
 
Prof. Dr. Stefan Böttcher, Department of Physics, Emory University, Atlanta

Optimieren mit Extremaler Dynamik (3. Juni 2003)

Zunächst führen wir das Bak-Sneppen Modell ein, eines der elementarsten Modelle für Ungleichgewichts-Systeme mit Self-Organized Criticality. dessen co-evolutionäre Dynamik, die sich auf die am ungünstigsten arrangierten ("extremal") Variablen konzentriert, motiviert dann eine heuristische Optimierungs-Methode insbesondere für NP-harte kombinatorische Probleme, die wir "Extremal Optimization" (EO) getauft haben. Breite (Ungleichgewichts-) Fluktuationen erlauben es dieser Dynamik, effizient viele lokale Minima einer komplizierten Kosten-Funktion zu erforschen. Fast ohne Kontroll-Parameter kann EO selbst gegen hochentwickelte Methoden wie Simulated Annealing oder Genetische Algorithmen mithalten. Diese einfache Heuristik hat sogar einige der bisher genauesten Resultate geliefert, z.B. um Vorhersagen der Replika Theorie für den SAT/UNSAT Phasenübergang im 3-Coloring Problem oder für Grund-Zustände in Spin-Gläsern zu bestätigen.
 
Dr. Dieter Breitschwerdt, Max-Planck-Institut für extraterrestische Physik, Garching

Galaktische Superblasen oder warum die Nacht nicht schwarz ist (20. Mai 2003)

Massereiche Sterne wechselwirken besonders heftig mit dem interstellaren Medium durch stellare Winde und Supernovae und sind somit wesentlich an der Aufheizung und der chemischen Entwicklung der galaktischen Scheibe beteiligt. Da etwa die Hälfte aller Supernova-Explosionen in OB-Assoziationen stattfindet, entstehen durch vorausgegangene Winde und expandierende Supernova-Überreste, riesige, sog. Galaktische Superblasen (Durchmesser ca. 1000 Lichtjahre), die mit dünnem Gas mit einer Temperatur von über 1 Million Kelvin gefüllt sind und stark im Röntgenlicht strahlen. Unser Kosmisches Habitat ist die Lokale Superblase, deren Entstehung und weitere Entwicklung trotz intensiver Beobachtungen noch völlig ungeklärt ist. In dem Vortrag werden die neuesten Röntgendaten, z.B. von XMM-Newton, vorgestellt und mit neuen detaillierten dreidimensionalen numerischen Simulationen verglichen; insbesondere wird auf die Bedeutung von Nicht-Gleichgewichts-Ionisations-Plasmen hingewiesen.
 
Prof. Dr. Ralf Röhlsberger, Fachbereich Physik, Universität Rostock

Reflexion mit Resonanz: neue Sicht auf magnetische Nanostrukturen mit Synchrotronstrahlung (24. April 2003)

Die magnetischen Eigenschaften von dünnen Schichten und Nanoteilchen werden ganz entscheidend von deren innerer magnetischer Struktur bestimmt. neue Streumethoden mit Synchrotronstrahlung erlauben einzigartige Einblicke in solche Systeme mit einer räumlichen Auflösung im Nanometer-Bereich. Der Vortrag gibt einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik anhand ausgewählter Beispiele. Die Streuung von Röntgenstrahlung unter Anregung von atomaren Resonanzen erlaubt die elementspezifische Untersuchung magnetischer Eigenschaften. Eine besonders hohe Empfindlichkeit lässt sich erzielen, wenn dabei die resonante Anregung von Atomkernen durch die Synchrotronstrahlung ausgenutzt wird. Mit Hilfe von isotopischen Sondenschichten kann man dann die innere magnetische Struktur einzelner Schichten direkt abbilden. Dies wird am Beispiel der Spinstruktur von austauschgekoppelten Schichtsystemen ausführlich diskutiert. Abschließend werden neue Verfahren zur hochauflösenden Abbildung vonmagnetischen Nanostrukturen mittels Streuung von kohärenter Synchrotronstrahlung vorgestellt.
 
Prof. Dr. Ulrich Pietsch, Institut für Physik, Universität Potsdam

Zeitaufgelöste Untersuchung zur Strukturbildung lichtinduzierter Oberflächengitter aus Polymerfilmen(24. April 2003)

Seit ca. 1995 ist bekannt, dass man die Oberfläche von Polymerfilmen, die Azobenzene-Moleküle in den Seitenketten enthalten, mittels holographischer Beleuchtung lateral strukturieren kann. Die so erzeugten Oberflächen-Reliefgitter (SRG) können je nach Bestrahlungsdauer und Polarisationszustand des Lichtes und Filmdicke eine Strukturtiefe von mehreren 100 nm aufweisen. Die Photoempfindlichkeit des Azobenzene-Moleküls ist bekannt, die Ursachedes enormen Materialtransports in den Polymerfilmen jedoch Gegenstand intensiver Untersuchungen. Zur Aufklaerung der Dynamik des Formierungsprozesses haben wir in-situ Messungen zur kombinierten Röntgen- und Lichtstreuung ausgeführt. Dazu wurden Homopolymerfilme (Kammpolymere) mit Azobenzen-Seitengruppen (z.B. pDR1M) dem Einfluss eines zirkular-polarisierten Lichtstrahles eines Ar+ Lasers (30...250 mW, 488 nm) ausgesetzt und die Streuung von Röntgenstrahlung und von kohärentem Licht eines He-Ne Lasers (5 mW) an dem sich ausbildenden lateralen Gitter als Messsignal ausgewertet.
Molekulare Informationen sind aus der Auswertung von spekroskopischen Messverfahren zu erwarten. Dazu wurden erste sondierende Messungen zur Photoelektronenspektroskopie am BESSY II ausgeführt. Die Auswertung der Daten lieferte erste Hinweise zum Photoorientierungsprozess der Azobenzene-Einheiten im Polymer. Während die "Azos" in den jungfräulichen Proben willkürlich angeordnet sind, zeigen sie nach der Strukturierung eine Ausrichtung parallel zu den Stegen.
Die so hergestellten SRG haben ein großes Anwendungspotenzial. Vielversprechend sind Anwendungen als Monochromatoren für "wiche" Röntgenstrahlung, als Substrate für organisiertes 2D-Wachstum oder für die Datenspeicherung.
 
Dr. Oliver Seeck, FZ Jülich GmbH / Hasylab, Desy

Eigenschaften quasi-zweidimensionaler Filme aus weicher Materie untersucht mit Röntgenstreumethoden (22. April 2003)

Filme aus weicher Materie (Polymere, Flüssigkeiten), deren Dicken lediglich einige Moleküldurchmesser betragen, weisen im Vergleich zur vollständig dreidimensionalen Probe grundsätzlich andere Eigenschaften auf. Dies gilt im besonderen Maße für Filme, die von zwei Seiten durch feste Substrate in ihrer Dimension eingeschränkt sind. Die Kenntnis über die Eigenschaften dieser Filme ist nicht nur in der Grundlagenforschung essentiell, sondern gewinnt in heutiger Zeit auch in der industriellen Fertigung immer mehr an Bedeutung. Zu nennen ist in diesem Zusammenhang die Miniaturisierung von elektronischen und mechanischen Bauteilen, die ein genaues Verständnis niedrigdimensionaler Materie erfordert. In dem Vortrag werden einige zu erwartende Eigenschaften quasi-zweidimensionaler weicher Materie denen der dreidimensional oder halb unendlich ausgedehnten Probe gegenübergestellt. Es wird gezeigt, dass bestimmte Röntgenstreumethoden, wie die Messung der spekulären und diffusen Streuintensität, die Röntgenbeugung unter streifendem Einfall sowie die Photonen-Korrelationsspektroskopie sehr gut geeignet sind, um die statischen und dynamischen Eigenschaften der Filme zu studieren. Es werden die Experimentierumgebungen und Bedingungen detailliert vorgestellt und schließlich Daten und Ergebnisse zu dem Verhalten dünner Polymer- und Flüssigkeitsfilme in eingeschränkter Dimension präsentiert. Ein kurzer Ausblick, insbesondere in Hinblick auf die vor kurzem genehmigten Synchrotronstrahlungsquellen in Norddeutschland, schließt den Vortrag ab.
 
Prof. Dr. Andreas Schreyer, Institut für Werkstoffforschung, GKSS-Forschungszentrum, Geesthacht

Röntgen - und Neutronenstreuung an magnetischen Schichtstrukturen (22. April 2003)

Streumethoden stellen eine wesentliche Methode zur Untersuchung jeder Form von kondensierter Materie mit atomarer Auflösung dar. Die Methodeist zerstörungsfrei, je nach verwendeter Strahlungsart kann dieProbe auch tief im Innern untersucht werden. Röntgen- und Neutronenstrahlung sind komplementär in ihren Eigenschaften. Während mit Röntgenstrahlung i.W. die Elektronendichteverteilung- und Struktur gemessen wird, sind Neutronenauf die Atomkerne sowie auf magnetische Felder sensitiv. Insbesondere, wenn bestimmte elektronische Übergänge induziert werden,kann auch Röntgenstrahlung auf magnetische Eigenschaften sehr empfindlich werden. Während Röntgenstrahlung in den meist verwandten Energiebereichen relativ stark absorbiert wird, zeichnen sich Neutronen durch eine geringe Absorption und damit durch eine hohe Eindringfähigkeit in Materie aus. Die wesentlichen Gemeinsamkeiten beider Stahlungsarten liegen neben einer Wellenlänge in der Größenordnung atomarer Abstände in der Tatsache, dass die Streuung an Materie in beiden Fällen im wesentlichendurch die gleiche Theorie beschrieben wird und die Experimente ähnlich sind. Darüber hinaus sind in beiden Fällen Großgeräte als Strahlungsquellen notwendig, um hohe Flüsse zur Verfügung zu stellen. Im Falle von Röntgenstrahlung sind darüber hinaus Laborgeräte sehr weit verbreitet. Es werden Beispiele aus dem Bereich der Erforschung magnetischer Schichtsysteme mit Streumethoden diskutiert. Dieses Gebiet zeichnet sich durch ein enges Wechselspiel von grundlagen- und anwendungsorientierter Forschung aus, da ein unmittelbarer Zusammenhang mit Fragen der sich in rasanter Entwicklung befindlichen Magnetoelektronik besteht.
 
Dr. habil. Tilo Baumbach, Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren, Außenstelle EADQ Dresden

Abbildung von Mikro- und Nanostrukturen mit Synchrotonstrahlung (15. April 2003)

PD Dr. Peter Fischer, Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart

Mit polarisierter Synchrotronstrahlung in die Mikrowelt des Magnetismus (15. April 2003)

Der Magnetismus niedrigdimensionaler Systeme ist ein hochaktuelles Forschungsgebiet sowohl aus grundlagenphysikalischer Sicht als auch bei der Entwicklung modernster Technologien, wie z.B. der Datenspeicherung und der Sensorik. Der zirkulare magnetische Röntgendichroismus (X- MCD) beschreibt die Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten für zirkular polarisierte Röntgenstrahlung von der lokalen Magnetisierung des Absorberatoms. Er ist element-spezifisch und kann an L-Kanten von Übergangsmetallen sowie an M-Kanten von Seltenen Erden Werte von bis zu 50% erreichen. Die Anwendung von Summenregeln auf Spin-Bahn gekoppelte Spektroskopiesignale erlaubt eine quantitative Bestimmung lokaler Spin und Bahnmomente. Im Prinzip kann jede Methode, die auf dem Absorptionskoeffizienten beruht, durch die Verwendung zirkular polarisierten Röntgenlichts geeigneter Wellenlänge komplementär in eine Methode zur Untersuchung magnetischer Eigenschaften modifiziert werden. Experimentelle Voraussetzung hierfür sind geeignete hochbrillante Quellen zirkular polarisierter Röntgenstrahlung. Magnetische anomale Röntgenkleinwinkelstreuung erlaubt die Bestimmung magnetischer Parameter auf einer mesoskopischen Längenskala, wie die Teilchengröße von Ausscheidungen und Korrelationslängen. Mit magnetischer Reflektometrie kann man tiefenaufgelöst Magnetisierungsprofile aufnehmen. Ein interessanter neuer Aspekt nutzt die verfügbare Zeitstruktur der Synchrotronquellen um Spindynamik auf einer sub-ns Zeitskala mit pump- and-probe Experimenten zu untersuchen. Lokale Präzessionsvorgänge sowie Relaxations- und Dämpfungsphänomene sind mit dem MTXM zugänglich, die im Hinblick auf zukünftige technologische Entwicklungen (precessional switching) von entscheidender Bedeutung sein werden.