Vorträge im SS 2009

Prof. Dr. S. Großmann, Philipps-Universität Marburg, Fachbereich Physik

Rayleigh-Bénard und Taylor-Couette jenseits der Musterbildung: Turbulenter Wärme- und Impulstransport bei starkem Antrieb (21. Juli 2009)

Es wird über neue Ergebnisse, Einsichten und Herausforderungen zu unserem Verständnis thermischer bzw. scherungsgetriebener Konvektion bei hohen Rayleigh-Zahlen Ra bzw. Taylor-Zahlen Ta berichtet. Enge Analogien zwischen Wärme- und Impulstransport fördern unsere Einsicht in Taylor- Couette-Strömungen und ihr Skalenverhalten bei großen Taylor-Zahlen. Wärmestrom (Nusselt-Zahl Nu) und Drehimpulsstrom (Torque G) als Funktion der äußeren Kontroll-Parameter (Rayleigh- und Prandtl-Zahl bzw. Taylor-Zahl und Spaltbreite), insbesondere jedoch die dominierende Rolle der dünnen aber wesentlichen Randschichten werden besprochen, ebenso die Einflüsse jenseits der gängigen Oberbeck-Boussinesq-Näherung – sehr wesentlich auch für TC – . Der Ausblick geht auf die anstehenden Herausforderungen ein, insbesondere auf das alte/neue Rätsel der laminar skalenden aber zugleich zeitabhängigen Randschichten.
 
Prof. Dr. Vollrath Martin Axt, Institut für Theoretische Physik III, Universität Bayreuth

Kurzzeitdynamik in Quantenpunkt-Strukturen (14. Juli 2009)

Quantenpunkte verhalten sich wie "künstliche Atome" mit anpassbaren Materialeigenschaften, die in eine Festkörperumgebung eingebettet sind. Ihre besonderen Eigenschaften machen sie interessant für viele Anwendungen, z.B. für spezielle Lasersysteme, als Einzelphotonquellen oder für potentielle Realisierungen von Qbits für die Quanteninformationsverarbeitung. Durch Anregungen mit kurzen Laserpulsen wird eine komplexe Quantendynamik in Gang gesetzt, die besonders ausgeprägte Signaturen der für diese Systeme typischen nicht-Markovschen Relaxation zeigt (Quantengedächtnis). Beispiele sind eine nicht-monotone Temperaturabhängigkeit von Zerfallszeiten der Interband- Polarisation sowie ein "Collapse and Revival"-artiges Verhalten der Rabi-Oszillationen (Enddämpfen bei hohen Feldstärken). Quanteneffekte sind in den hier betrachteten Systemen aber nicht nur an elektronischen Eigenschaften zu beobachten. Auch die in Folge der optischen Anregung erzeugten Phonon-Wellenpakete (Verzerrungswellen) zeigen nicht-klassische Eigenschaften. Ein weiteres Thema ist der Quantentransport elektronischer Wellenpakete durch Quantenpunkte, der im Falle sowohl räumlich als auch zeitlich kurzer Anregungen der Wellenpakete von interessanten Quantenphänomenen, wie etwa Phonon-Rabi-Oszillationen, begleitet ist.
 
Prof. Dr. Markus Rapp, Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik e.V., Universität Rostock

Mesospheric aerosol particles: New results from radar- and lidar soundings and rocket borne in situ measurements (7. Juli 2009)

The mesosphere is host to a number of different aerosol species like meteor smoke particles and ice particles, where the latter may form under the extreme conditions of the polar summer mesopause region. Properties of these aerosols have been subject to intense research in recent years, in part because they are thought to be potential indicators of climate change. Besides their potential climate relevance, however, it is mostly the exciting and complex physics of these particles and their environment which pose a real challenge to our understanding and make them a fascinating field of research. Just to mention one challenging issue, it is now appreciated that the nucleation process of mesospheric ice clouds is poorly understood and commonly made assumptions are probably flawed. In the current presentation, an overview of new measurements with radars, lidars and sounding rockets of mesospheric ice clouds and meteoric smoke particles is given which shed light on microphysical properties of these mesospheric aerosol species. These observational results are discussed in the light of currently available models which treat microphysical processes and global transport in a self-consistent manner. Particular findings to be emphasized are the very pronounced variability in meteoric smoke particles as observed during several recent sounding rocket flights and an unexpectedly large temperature variability leading to immense supersaturation in the very high latitude mesopause region over Svalbard (78°N). Finally, plans for future experiments and model investigations will be described.
 
Dr. Andreas Kopp, IEAP, CAU Kiel und Theoretische Physik IV, Ruhr-Universität Bochum

Von Monden zu Extrasolaren Planeten: Magnetosphären als grundlegende Plasmasysteme der Weltraumphysik (30. Juni 2009)

Die eher zufällige Entdeckung Anfang 1955, dass Jupiter eine starke Radioquelle darstellt, war für die Weltraumphysik von ähnlicher Bedeutung wie die Entdeckung seiner Monde vor nun 400 Jahren, bedeutete sie doch, dass neben der Erde auch andere Planeten ein Magnetfeld besitzen. Die weiteren Folgen dieser Entdeckung wurden erst im Laufe der nächsten 25 Jahre klar, da Jupiters Radiostrahlung nur als Folge einer Wechselwirkung der Monde mit der Magnetosphäre des Planeten verstanden werden kann. Dieser Vortrag soll zunächst diese Wechselwirkung näher beleuchten, wobei dem Modell der Alfvén-Flügel eine zentrale Rolle zukommt. Die Magnetosphäre wird als ein Plasmasystem verstanden, das zum einen durch in-situ-Messungen zugänglich ist, zum anderen mit Hilfe plasmaphysikalischer Modellvorstellungen im Rahmen der Magnetohydrodynamik (MHD) beschrieben werden kann. Das Zusammenführen von Messung und Modell mit Hilfe numerischer Simulationen bietet nicht nur die Möglichkeit einer kritischen Überprüfung der Theorie, sondern erlaubt es ferner, Eigenschaften der Monde aus Messdaten abzuleiten. Anhand von Messungen der Raumsonde Galileo bei Vorbeiflügen an den vier großen Jupitermonden, wobei ein besonderes Augenmerk dem Mond Europa gilt, unter dessen Eiskruste flüssiges Wasser vermutet wird, zeigen die erfolgreiche Umsetzung des Konzepts. Gegenstand aktueller Forschung sind extrasolare Planeten, die ihren Stern auf sehr engen Bahnen umkreisen. Es wird daher abschließend als Beispiel für eine Adaption gezeigt, wie es mit Hilfe einer Übertragung des Modells zur Wechselwirkung der Jupitermonde gelingt, entsprechende Messungen sogar quantitativ zu erklären.
 
Prof. Dr. Keiichi Kodaira, University of Tokyo, Japan & JSPS Bonn

Compact Star Clusters in the Andromeda Galaxy Disk (23. Juni 2009)

The 8m Telescope SUBARU on Mauna Kea, Hawaii, has a special feature among the telescopes of this class, namely, the prime-focus camera, Suprime-Cam, which can cover a field of almost the moon-size with an instrumental seeing of 0.2 arcsec. During the verification period of this camera we obtained high-resolution images of the south-west part of the M31 disk. Using these images, a full-field search for compact non-stellar objects with apparent size less than 3arcsec (corresponding to about 10pc) was carried out, to identify about 300 candidates for compact star clusters. The outcome of this study indicates that there are abundant star clusters which have the intermediate properties between the open clusters and the globular clusters well known in our Galaxy, bridging between the two populations. Their spatial distribution on the M31 disk shows loose connection to hot cloud arms/rings. Whether this new population of clusters identified in M31 disk does also exist or not in our Galaxy disk, is still an open question. These clusters might be a powerful tool to elucidate the evolution history of galaxy disks.
 
Dr. Gerhard Wurm, Institut für Planetologie, Münster

Planetenentstehung im Laborexperiment (16. Juni 2009)

Die Grundidee der Entstehung terrestrischer Planeten ist einfach. Zwei Partikel stoßen, haften und werden zu einem größeren Etwas bis am Ende aus Staub Planeten entstehen. Wie weit man mit diesem Modell kommt, bei dem frühzeitig Kollisionsgeschwindigkeiten von über 50m/s (180km/h) auftreten, zeigt dieser Vortrag ausgehend von Laborergebnissen. Von Space Shuttle Experimenten bis zu "Armbrust-Versuchen" zeigt sich zumindest, dass es nicht aussichtslos ist, auch bei hohen Geschwindigkeiten am Ende trotz zahlreicher Trümmer größere Körper zu generieren. Man sollte dabei jedoch nicht zu engstirnig auf Wachstum schauen. Fragmentation und Erosion sind wichtige Prozesse, die neben ihrer primär negativen Massenbilanz ihren Anteil am Wachstum haben. Erosion durch Bewegung im Gas der protoplanetaren Scheibe ist möglich, aber stark vom Abstand zum Stern abhängig. Es fragt sich, ob es nicht noch andere Prozesse gibt, die in diesem Zusammenhang eine Rolle spielen. In der Tat gibt es in den Frühphasen der Planetenentstehung photophoretische und thermophoretische Prozesse, die bislang wenig behandelt wurden, aber Partikelbewegung dominieren können, die stärker sind als die Gravitation eines Sterns, Staub konzentrieren und Wachstum von Planetesimalen beschleunigen können, aber auch das Potential besitzen, ganze Planetesimale zu zerstören. Dies alles zeigt, dass die Details komplexer sind, es sicher einige universelle Ideen gibt, aber Planeten in unterschiedlichen Abständen zum Stern wahrscheinlich aufgrund verschiedener jeweils dominierender Effekte entstehen.
 
Prof. Dr. Hans-Jörg Fahr, Argelander-Institut für Astronomie, Universität Bonn

Fundamental Plasma Science with the Ibex-mission (9. Juni 2009)

Since the NASA spacecraft VOYAGER-1 and -2 have crossed the solar wind termination shock, there has come up an increased interest in the nature and structure of the distant plasma sites beyond that region. Unfortunately from regions close to the Earth these distant heliospheric plasma environments cannot be observed directly. However, with the presently active earth-bound satellite IBEX there exists the challenging chance to remotely study these distant plasma worlds. IBEX namely works like a neutral atom telescope drawing essential informations out of spectral intensities of H-atom fluxes arriving in the earth environment, but originating in the deep spaceplasma environments by means of charge exchange reactions of protons with interstellar H-atoms. In this report it will be shown, how such spectral and spatially resolved H-atom flux measurements can be used to remotely study the complicated plasma physics in these distant heliospheric regions at the border of the solar system.
 
Prof. Dr. Martin Müller, GKSS Forschungszentrum Geesthacht

Materialforschung mit Neutronen und Synchronstrahlung am GKSS-Forschungszentrum Geesthacht (Antrittsvorlesung - 26. Mai 2009)

Am Institut für Werkstoffforschung des GKSS-Forschungszentrums Geesthacht werden ultraleichte metallische Werkstoffe und neuartige Schweißverfahren für Anwendungen z. B. im Luftund Straßenverkehr entwickelt. Geforscht wird auch an Leichtmetall-Hydriden mit besonders hoher Wasserstoffspeicherkapazität für die Versorgung von Brennstoffzellen für mobile und stationäre Anwendungen in einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft und an Biomaterialien z. B. für Implantate. Ob neu entwickelte Werkstoffe halten, was sie versprechen, wird interdisziplinär erforscht. So werden an der Geesthachter Neutronenforschungseinrichtung (GeNF) an verschiedenen Neutronenstreu- Instrumenten Nano- und Mikrostrukturen in Werkstoffen oder Biomaterialien analysiert. Weitere Neutronenstreuexperimente werden an der GKSS-Außenstelle am FRM II in Garching bei München betrieben und neu aufgebaut. Komplementäre Untersuchungen unter Anwendung von Synchrotronstrahlung werden an der Hochenergie-Beamline HARWI II an der GKSS-Außenstelle am DESY in Hamburg durchgeführt und zukünftig auch an weiteren Synchrotron- Beamlines am neuen Speicherring PETRA III, die noch in diesem Jahr in Betrieb gehen werden. Sie werden den Kern eines neuen Materialforschungszentrums der GKSS bei DESY bilden. Ich werde an ausgewählten Beispielen den einzigartigen Beitrag von Streumethoden in der Materialforschung bei GKSS demonstrieren und auch die Aktivitäten meiner Kieler Arbeitsgruppe im Bereich der Forschung an biologischen Strukturmaterialen und der Entwicklung neuer Röntgenstreumethoden mit höchster Ortsauflösung vorstellen.
 
Dr. Bodil Holst, University of Bergen, Department of physics and technology

De Broglie Atom Optics (12. Mai 2009)

In De Broglie Atom Optics the atoms or molecules are manipulated solely via their de Broglie Wavelength. In this seminar I will present two branches of De Broglie Atom Optics which we are pursuing in my group. The first part of my talk is centered on a new type of matter-wave microscopy. Matter-wave microscopy can be dated back to 1932 when Max Knoll and Ernst Ruska published the first image obtained with a beam of focussed electrons. Here a new step in the development of matter-wave microscopy is presented. We have created an instrument where a focussed beam of neutral, ground-state atoms (helium) is used to image a sample. The first images obtained with the new technique will be presented. The instrument is still in development and the present resolution is in the micron range. The low energy of the atoms (meV range) and the fact that they are neutral makes the new instrument potentially particularly suited for the investigation of insulating surfaces (i.e. glass) and fragile samples (i.e. proteins) as well as structures with high aspect ratios. In the second part of my talk I present a classic optics experiment: The Poisson Spot, which we have recently succeeded in carrying out for the first time with neutral matter waves. I present our first measurements of a "Poisson Spot of Molecules" and discuss potential applications of this, in the context of atom optics, novel experimental setup.
 
Dr. Markus Ternes, IBM Res. Div., San Jose, USA, MPI, Stuttgart

Building and Probing Atomic Structures (5. Mai 2009)

The control of the geometric, electronic, and magnetic properties of atomic-scale nanostructures is a prerequisite for the understanding and fabrication of new materials and devices. Two routes lead towards this goal: Atomic manipulation of single atoms and molecules by scanning probe microscopy, or patterning using self-assembly. But even if atomic manipulation has been performed since almost 20 years, it has been difficult to answer the simple question: How much force does it take to manipulate atoms and molecules on surfaces? To address this question, we used a combined atomic force and scanning tunnelling microscope to simultaneously measure the force and the current between an adsorbate and a tip during atomic manipulation. We found that the force it takes to move an atom depends crucially on the binding between adsorbate and surface. Our results indicate that for moving metal atoms on metal surfaces, the lateral force component plays the dominant role. In contrast, we found that the forces to manipulate molecular adsorbates, such as carbon monoxide (CO), were markedly different. Measuring the forces during manipulation yielded the full potential energy landscape of the tipsample interaction. Surprisingly, the potential energy barriers are comparable to diffusion barriers, which are obtained in the absence of a probe tip.
 
Dr. Markus Ternes, IBM Research Division Almaden Research Center, San Jose, USA Max-Planck-Institute of Solid State Physics, Stuttgart

Building and Probing Atomic Structures (5. Mai 2009)

Prof. Michael Kong, Dept of Electronic and Electrical Engineering, Loughborough University, UK

Atmospheric Plasma Sterilization: where we are and where we want to be (28. April 2009)

Although gas discharges have been known to possess biocidal effects for more than one century, interest in exploiting this fascinating plasma property for hospital sterilisation is relatively recent. This is fuelled partly by the advent of low-temperature glow discharges, at both low and atmospheric pressure, that offer a near-room temperature option for decontamination of heatsensitive medical devices. Scientifically, it is also of interest to understand and explore how reactive plasma species and UV photons interact with microorganisms and biomolecules. This talk will review the current capability of cold atmospheric plasmas (CAP) to inactivate both bacteria and biomolecules. Inactivation kinetics data will be presented to demonstrate the efficacy and efficiency of cold atmospheric plasmas in inactivating a wide range of microorganisms including those of particular relevance in hospital infection. In addition, CAP will also shown to rapidly denature biomolecules such as proteins and lipids. From a plasma physics standpoint, the issue of CAP interaction mechanisms is primarily concerned with the identification of biocidal agents generated by CAP. This has been a significant challenge, with the complexity in plasma processes compounded further by the complexity in molecular microbiology and protein biology. To meet this challenge, we will examine a multidisciplinary approach employing several complementary techniques. Data from these studies will be shown to implicate groundstate oxygen atoms as a main biocidal agent and also highlight the need for and the benefits of greater input from biology and reaction chemistry. Finally we will discuss briefly the key issues in turning the CAP technology as an infection control strategy for healthcare services.
 
Dr. Alexey Filinov, Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Universität Kiel

Supersolidity and the role of disorder in solids (21. April 2009)

Recent torsional oscillator measurements on solid 4He clearly indicated anomalous properties suggesting the existence of a finite superfluidity and a novel state of matter called “Supersolid". Such a behavior is surprising: the atoms are localized in a crystalline lattice but exhibit a superflow. A number of possible explanations have been proposed including grain boundaries, disordered/glass regions, defect surfaces or dislocations. The present talk gives an overview on recent experiments and numerical modeling of strongly correlated Bose systems. The interplay between particle localization (crystallization) and superfluidity is discussed. Our numerical simulation results for macroscopic and finite Bose systems in traps allow to gain some insight in the properties of superfluids and of a supersolid phase.
 
Dr. Reinhard Richter, AG Ferrofluide, Experimentalphysik 5, Universität Bayreuth

Landscapes of MAGnetIC Liquid (14. April 2009)

Ferrofluids were an outcome of nano technology long before this term even existed. These colloidal dispersions of magnetic nanoparticles respond to magnetic fields in many ways. Particularly interesting is a plain layer of ferrofluid subjected to a constant, vertical magnetic field. When a critical value of the applied magnetic field is surpassed, a hexagonal array of liquid spikes emerges. Moreover square and stripe-like patterns as well as solitary spikes (see picture) can be observed. We are measuring the surface relief by means of an X-ray technique and compare the results with the predictions of linear and nonlinear theory and simulations utilizing the finite element methode. Other spectacular effects come into play when the ferrofluid is exposed to time-varying magnetic fields. We present recent results on the flow of ferrofluid exposed to alternating, rotating and traveling magnetic fields ("magnetic pump").
 
Prof. Dr. Patrik Schmuki, Universität Erlangen-Nürnberg

TiO2 nanotubes: Formation, properties, applications (7. April 2009)

The talk will discuss the formation of self-organized high aspect ratio titanium oxide nanotubes by a simple anodization process using an optimized and controlled treatment of Ti in fluoride containing solutions. The morphology of the TiO2 tubular layers can be controlled strongly by the electrochemical parameters such as solution pH and anodization voltage. Highly ordered TiO2 nanotubes with a length of several 100 micrometers can be grown on Ti surfaces. The diameters that can be obtained range from 20 nm to 200nm - typical wall thicknesses are in the range of 10-20 nm. Novel arrangements (Nanobamboo, nanolace and double walled nanotubes) have been reported. Titanium dioxide is a highly functional material that has properties, that can be exploited in, solar energy conversion, catalysis of the decomposition of organic compounds (self-cleaning), wettability and biocompatibility. The nanotubular TiO2 structures show significant solar conversion efficiencies, when dyesensitized, can be used as a matrix for hydroxyapatite formation to achieve osseointegration with bones, show extremely enhanced visible photoresponse after N-doping, can be used as a highly efficient photocatalyst or as a catalyst carrier for Pt/Ru nanoparticles for methanol electrooxidation. The presentation will not only address the fabrication of self-organized nanotube layers but particularly discuss the latest state in property modification and applications.