Vorträge im WS 2005/2006

Prof. Dr. Thomas Klinger, Max-Planck-Institute for Plasma Physics, Greifswald

Die Kunst des magnetischen Einschlusses - Wendelstein 7-X in Greifswald (7. Februar 2006)

Grundidee bei der Nutzung der Fusionsenergie auf der Erde ist die Erzeugung eines ca. 100 Millionen Kelvin heißen und magnetisierten Deuterium-Tritium Plasmas. Ein Magnetfeld dient dabei der Wärmeisolation des heißen Plasmas von der kalten Wand, und man redet von "magnetischen Einschluss". Es ist jedoch ausgesprochen schwierig, ein heißes Plasma effektiv in ein Magnetfeld einzuschließen, d.h. einerseits geringen Energietransport sicherzustellen und andererseits die reichlich vorhanden Instabilitäten zu vermeiden. In diesem Vortrag werden die physikalischen Grundzüge eines toroidalen Einschlusskonzeptes vorgestellt, das als "Stellarator" bezeichnet wird. Vermittels eines Optimierungsprozesses entlang einer Reihe physikalischer Grundprozesse lässt sich so ein torusförmiges Magnetfeld erzeugen, dessen Topologie einen optimalen Einschluss verspricht. Der Konzeption des Magnetfeldes folgt natürlich dessen praktische Realisierung: Am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald wird zur Zeit der größte und modernste supraleitende Stellarator weltweit aufgebaut, der "Wendelstein 7-X". Der Vortrag geht auch auf die technischen Probleme ein, die es dabei zu lösen gilt, allen voran die enormen mechanostatischen Kräfte, die es aufzufangen gilt. Am Ende wird ein Ausblick auf die Bedeutung der wissenschaftlichen Zielsetzungen dieser großen Versuchsanlage für die international organisierte Fusionsforschung (besonders die neue Anlage ITER) gegeben.
 
Prof. Dr. Michael Horn von Hoegen, Institut für Laser- und Plasmaphysik - SFB 616, Universität Duisburg-Essen

Ultraschnelle Elektronenbeugung an Oberflächen (31. Januar 2006)

Die atomare Dynamik ultraschneller geometrischer Strukturänderungen an Oberflächen ist mit Hilfe zeitaufgelöster Elektronenbeugung experimentell zugänglich geworden. Hierzu wird in einem Pump-Probe Experiment die untersuchte Oberfläche mittels eines intensiven fs-Laserpulses (Pump) angeregt und zeitverzögert das Beugungsbild mittels eines ultrakurzen Elektronenpulses (Probe) aufgenommen. Streifender Einfall schneller Elektronen in einer RHEED Geometrie ermöglicht hohe Oberflächenempfindlichkeit. Angeregt wird bei 800 nm bzw. 400 nm mit einer Pulsenergie von 1 mJ bei 1kHz Repetitionsrate. Die Möglichkeiten dieser neuen Technik wird am Beispiel der transienten Temperaturerhöhung dünner Wismutfilme auf Silizium demonstriert, wo eine überraschend langsame Abkühlrate von 600 ps beobachtet wird. Hier werden die Phononen durch Totalreflektion an der Bi/Si-Grenzfläche im Wismutfilm eingesperrt und können nur mit einer Wahrscheinlichkeit von wenigen Prozent ins Silizium übertreten. Die momentan erreichte zeitliche Auflösung von unter 50 ps kann durch einige experimentelle Tricks in den sub-ps Bereich gesteigert werden.
 
Dr. Markus B. Raschke, Max-Born-Institut, Berlin

Optical Antennas for Nanoscale Spectroscopy (24. Januar 2006)

For research on the nanoscale there is a great desire for optical spectroscopy with spatial resolution far beyond the diffraction limit. Here, nanoscopic metal tips as optical antennas to detect, transfer, and concentrate light to highly confined regions provide a new route to near-field microscopy. I will discuss our results on scanning probe spectroscopic imaging with an all-optical spatial resolution of just several nanometer: The infrared-vibrational characterization and understanding of the phase behavior of block-copolymer nanostructures formed by self-assembly could be achieved. It demonstrates the capability for IR spectroscopy giving access even to intramolecular dimensions. In addition, making use of the local field enhancement of the probe tip single molecule Raman imaging could be demonstrated for the first time. Furthermore, I will show that surface and bulk properties on the nanoscale can be probed selectively taking advantage of the symmetry selectivity of the nonlinear optical response.
 
Dr. Gerda Horneck, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, DLR, Köln

Entstehung, Evolution und Ausbreitung des Lebens aus Sicht der Astrobiologie (17. Januar 2006)

Aufgabe der Astrobiologie ist es, das Leben und die Prozesse, die zu seiner Entstehung, Evolution und Ausbreitung führen, nicht als terrestrisches Einzelereignis anzusehen, sondern als planetares Phänomen, eingebettet in die Evolution unseres Universums. Es werden die verschiedenen Evolutionsstufen, wie die Entstehung biogener Elemente und die chemische Evolution komplexer organischer Verbindungen, diskutiert sowie mögliche Szenarien zur Entstehung und Ausbreitung des Lebens und Lebensmöglichkeiten außerhalb der Erde, z.B. auf unserem Nachbarplaneten Mars, auf dem Jupitermond Europa, sowie in extrasolaren Planetensystemen.
 
Dr. Werner Däppen, International University Bremen

Helioseismologie – die Sonne als physikalisches Laboratorium (10. Januar 2006)

Die Sonne schwingt ständig in Millionen von normalen Moden, deren Frequenzen mit großer Genauigkeit gemessen werden können. Analog wie bei der Seismologie der Erde werden die Schwingungsdaten gebraucht, um das Innere der Sonne zu erforschen. Schon zu Anfängen der Helioseismologie war eines der ersten Ziele die Festlegung der thermodynamischen Größen des Plasmas. Obwohl im Sonneninnern die Nichtidealität des Plasmas typischerweise kleiner ist als 10%, führt die erstaunliche Genauigkeit der helioseismologischen Beobachtungen zu bedeutenden Tests des nichtidealen Anteils der Zustandsgrößen. Modelle des Sternaufbaus und der Sternentwicklung sind auf präzise thermodynamische Daten angewiesen. Umgekehrt helfen die astrophysikalischen Beobachtungen (heute der Sonne, morgen der Sterne), die entsprechenden Theorien zu verbessern. So wurde die Sonne zu einem Laboratorium für Plasmaphysik.
 
Prof. Dr. Hartmut Roskos, Physikalisches Institut, Johann Wolfgang Goethe-Universität, Frankfurt

Der Widerspenstigen Zähmung, oder: Why all the waves about terawaves? (20. Dezember 2005)

Der Terahertz-Frequenzbereich (0,3-10 THz) des elektromagnetischen Spektrums, zwischen dem Reich der Elektronik und dem der Optik gelegen, erweist sich als schwierig zu erschließen. Er konnte aber in den letzten Jahren wegen einiger umwälzender physikalischtechnischer Entwicklungen insbesondere bei den Strahlungsquellen (z.B. Quantenkaskadenlaser) und wegen der Entdeckung eines beträchtlichen Anwendungspotentials (z.B. in der Durchleuchtungstechnik, Sicherheitstechnik) große Aufmerksamkeit auf sich ziehen. In meinem Vortrag werde ich den Stand bei der praktischen Nutzbarmachung von THz- Strahlung skizzieren. Ich werde wesentliche photonische Verfahren vorstellen und darstellen, bei welchen künftigen Anwendungen THz-Strahlung eine Rolle spielen könnte. Im zweiten Teil des Vortrages werde ich dann anhand von zwei Beispielen aus der THz- Emissions-Spektroskopie auf die Anwendung von THz-Strahlung in der Grundlagenforschung eingehen. Ich werde zunächst zeigen, wie man die Emission von THz-Strahlung aus einem laserinduzierten Plasma dazu verwenden kann, um sogenannte Few-Cycle-Lichtimpulse zu charakterisieren (Bestimmung der carrier-envelope-offset phase), eine für den weiteren Vorstoß in den Attosekunden-Zeitbereich wichtige Maßnahme. Ich werde dann auf Halbleiter-Übergitter eingehen und aufzeigen, dass die Emission von THz-Strahlung hervorragende Einblicke in die kohärente Ladungsträgerdynamik erlaubt. Man kann nicht nur die Bloch-Oszillationen optisch angeregter Elektronen zeitaufgelöst verfolgen, sondern auch komplexere Formen der Bewegung von Elektronen im magnetischen Feld studieren (Kohärenter Hall-Effekt, Fiske-Effekt).
 
Prof. Dr. Jürgen Blum, Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik, TU Braunschweig

Planetenentstehung im Labor (13. Dezember 2005)

Nach heutigem Kenntnisstand wissen wir, dass Sterne und Planeten gleichzeitig und aus dem gleichen Materiereservoir entstehen. Dabei muss die Bildung der terrestrischen Planeten mindestens über einen zweistufigen Prozess erfolgen, bei dem anfangs die mikroskopisch kleinen Staubpartikel durch inelastische Stöße und Oberflächenkräfte sich zu etwa kilometergroßen, so genannten Planetesimalen entwickeln, die danach auf Grund von gegenseitiger gravitativer Anziehung zu Planetengrößen anwachsen. Die erste Wachstumsphase, auch Agglomerationsphase genannt, ist noch mehr oder minder unverstanden. Um dies zu ändern, haben wir in den letzten Jahren umfangreiche Laborexperimente zur Haftung und Agglomeration von Staub durchgeführt, die unser wissen über die beim Staubwachstum entstehenden Strukturen, Größenverteilungen und Wachstumsgeschwindigkeiten deutlich vermehrt haben. Es zeigte sich, dass Staubpartikel im jungen Sonnensystem, die in langsamen Stößen durch Oberflächenkräfte aneinander haften, praktisch immer so genannte fraktale, d.h. sehr offene, selbstähnliche Strukturen bilden. Erst wenn die Stoßgeschwindigkeiten in die Nähe der Haftgrenze (von etwa 1 m/s) kommen, werden die sich bildenden Staubagglomerate kompakter und verlieren ihre fraktale Form. Oberhalb einer Geschwindigkeit von einigen m/s dominiert die Fragmentation, d.h. das Zerbrechen der Agglomerate, das Stoßgeschehen. Im solaren Nebel ist dies für etwa dezimetergroße Staubagglomerate der Fall. Dies bedeutet aber nicht, dass ein weiteres Wachstum und damit die Bildung von kilometergroßen Körpern unmöglich ist. Die in den Stößen gebildeten Fragmente können nämlich z.B. auf Grund von aerodynamischen oder elektrostatischen Prozessen auf den größeren der Stoßpartner zurückgetrieben werden.
 
Prof. Dr. Bernd Blasius, Institut für Physik, Universität Potsdam

Dynamic of epidemic outbreaks and hierarchic synchronization in a network of cities with distributed sizes (29. November 2005)

Recent results of optical resonances in single particles, particle dimmers, and particle arrays will be reviewed. The seminar will be illustrated by several tutorial experimental studies based upon light scattering and electron energy loss spectroscopy. In particular, control over resonance frequencies by changing the shape of the particles and their distribution will be illustrated for spherical particles, nanoshells, and nanorings. Periodic particle arrays will be shown to display resonances associated to the lattice periodicity. This resembles very closely the situation encountered in periodic holes arrays. The latter will be discussed in the light of simple analytical models that allow formulating predictions like full transmission through arbitrarily- narrow holes drilled in arbitrarily-thick perfect-conductors films. New types of surface modes obtained in metallic surfaces by sub-wavelength patterning will also be discussed.
 
Dr. F. Javier Garcia de Abajo, Donostia International Physics Center and Centro Mixto CSIC-UPV/EHU, Spanien

Optical resonances in metallic systems: From nanoparticles to hole (22. November 2005 - ausgefallen)

Die Physikolympiade ist ein seit gut 30 Jahren etablierter Wettbewerb für Schülerinnen und Schüler allgemeinbildender Schulen. Es geht um das Lösen von anspruchsvollen theoretischen und experimentellen Aufgaben. Die Schwierigkeiten liegen hier im physikalischen Verständnis und nicht in der Mathematik. Dieser Wettbewerb stellt einen Beitrag zur individuellen Förderung leistungswilliger Schülerinnen und Schüler dar, die im regulären Schulalltag oft nicht gelingt. In dem Vortrag wird eine Einordnung der Physikolympiade mit ihren besonderen Merkmalen in die recht vielfältige Wettbewerbslandschaft vorgenommen. Im zweiten Teil geht es um die Verknüpfung des Wettbewerbs mit empirischer Forschung im IPN. Gelingt es mit dem Wettbewerb – so lautet eine Frage – die Schülerinnen und Schüler in ihren (physikalischen) Interessen zu unterstützen. Abschließend wird auf "neue" Wettbewerbe im Bereich Physik und die Verbreitung und Nutzung der Wettbewerbsaufgaben von verschiedenen Adressatengruppen eingegangen.
 
Dr. Gunnar Friege, Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften, Kiel

Physikolympiade - Lösen anspruchsvoller Aufgaben im Wettbewerb (8. November 2005)

Das Klima der Erde ist letztlich bestimmt durch das Gleichgewicht zwischen solarer Ein- und thermischer Ausstrahlung. Da unser Planet zu 2/3 mit Wolken bedeckt ist, üben diese einen entscheidenden Einfluss auf den Gleichgewichtzustand aus. Der Vortrag beschreibt Probleme und Lösungsmöglichkeiten des solaren Strahlungstransports durch die bewölkte Atmosphäre. Problematisch sind insbesondere die hohe räumliche und zeitliche Variabilität der mikro- und makrophysikalischen Eigenschaften der Wolken. Monte-Carlo Verfahren zur Simulation des Strahlungstransports eröffnen Möglichkeiten, realistische Algorithmen für Klimamodellierung und Wolkenfernerkundung zu schaffen. Die (zukünftige) gleichzeitige experimentelle Erfassung des Bewölkungszustandes und der Strahlungsbilanz dient der Verifikation dieser Algorithmen.
 
Prof. Dr. Andreas Macke, Leibniz-Institut für Meereswissenschaften, Kiel

Strahlungstransport in der bewölkten Atmosphäre (1. November 2005)