Vorträge im WS 2002/2003

Priv. -Doz. Dr. Albrecht Huber, Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Kiel

Ist Lichtausbreitung immer wellenförmig? (Abschiedsvorlesung) (18. Februar 2003)

Nichtwellenförmige Zustände des optischen Feldes sind seit langem bekannt. So ist das evaneszente Feld, das im Dunkelhalbraum hinter einer totalreflektierenden ebenen Grenzfläche entsteht, in Richtung der Flächennormalen nicht undulatorisch. Allerdings transportiert das Evaneszenzfeld in Normalenrichtung auch keine optische Energie, also kein Licht. Demgegenüber wird hier nach nichtundulatorischen Zuständen des optischen Feldes gefragt, die einen im Zeitmittel von Null verschiedenen elektromagnetischen Energiefluss tragen. Solche Zustände existieren in der Tat. Sie treten immer dann auf, wenn Refraktionsbedingungen, unter denen das Brechungsgesetz sich nicht durch reelle Wellenzahlvektoren erfüllen lässt, auf ein in der interessierenden Richtung endliches Raumgebiet beschränkt sind, und verhindern an derartigen Anordnungen die Totalreflektion. Dieser "optische Tunneleffekt" wird am Beispiel der Systeme aus planparallelen homogenen Schichten näher erläutert, wo die optischen Felder und ihr Energietransportmechanismus durch analytische Rechnungen vollständig beschrieben werden können. Es werden mögliche Anwendungen erörtert, die sich z.B. in den Bereichen der optischen Sensorik und Mikroskopie sowie auf dem Gebiet der Lichtausbreitung in dünnen Kristallen ergeben könnten.
 
Priv. -Doz. Dr. Pavel Kroupa, Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Kiel

Star Clusters: The Fundamental Building Blocks of Galaxies (Antrittsvorlesung) (11. Februar 2003)

Most stars form in embedded star clusters with low star formation efficiencies. When the gas is expelled a large fraction of the stellar population expands outwards into the field of the host galaxy. The implications this process has on the morphological appearance of galaxies will be addressed using the example of thickened galactic disks. It will also be shown that a universal turnover in the star cluster mass function near 105 Msun can result from the physics of cluster formation, even for a scale-free (power-law) initial star-cluster mass function. In especially intense star-formation bursts the initial cluster mass function extends to massive star clusters that are often grouped into star-cluster complexes containing hundreds of clusters. These complexes evolve through successive cluster-cluster mergers. They build a dwarf galaxy if the cluster complexes form in tidal arms, and finally resemble the dwarf spheroidal satellites of the Milky Way. Cluster complexes born in the inner region of a star-forming galaxy can evolve to dwarf galaxies similar to the omega Centauri "star cluster".
 
Prof. Dr. Hannes Lichte, Institute of Applied Physics, Dresden University

Electron Holography: Basic properties of electron waves and their applicatons (4. Februar 2003)

The Matter Waves associated with electrons offer superb experimental facilities for investigating the underlying basic physics of, e.g., coherence properties of electron waves and phase shifting effects of electromagnetic fields by means of electron interferometry. Furthermore, transmitted through a thin solid object hence modulated both in amplitude and phase, electron waves can be exploited for novel methods in materials characterization: By numerical reconstruction from an electron hologram, the quantitative analysis of the electron waves gives access to both amplitude and phase; this allows a deeper insight into materials structures down to atomic dimensions, as well as the determination of electric and magnetic nanofields inside and a-round solids.
 
Dr. Matthias Hünsch, Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Kiel

Evolution stellarer Aktivität (28. Januar 2003)

u.a. Sonnenflecken, chromosphärische Fackeln, Sonneneruptionen und die ca. 1 Millionen Kelvin heiße Korona zählen. Manche dieser Phänomene können auch bei anderen, sonnenähnlichen Sternen beobachtet werden, wenn auch z.T. nur indirekt. Die fehlende räumliche Auflösung und geringere Sensitivität wird kompensiert durch einen weiten Bereich stellarer Parameter, unter dem Aktivität beobachtet werden kann. So ist es möglich, die Sonne quasi unter veränderten Eigenschaften (Masse, Alter, chemische Zusammensetzung, Rotation) zu studieren. Insbesondere die Beobachtung stellarer Koronen im Röntgenbereich hat gezeigt, dass unserer Sonne am unteren Ende der beobachteten Bandbreite stellarer Aktivität liegt. Beispielsweise gibt es "Zwillinge" der Sonne mit einer um einen Faktor 1000 größeren Röntgenleuchtkraft. Auch Flares und Fackeln werden bei manchen anderen Sternen in sehr viel größerer Vehemenz beobachtet. Das Maß an Aktivität ist stark mit der Rotation der Sterne korreliert. Besonders interessant ist die zeitliche Entwicklung von Aktivität im Verlauf des Sternlebens. Hier zeigen die Beobachtungen von offenen Sternhaufen, dass die Rotationsgeschwindigkeit und damit auch die Aktivität im Laufe der Sternentwicklung auf der Hauptreihe stark abnimmt. Aktivität kann somit als ein Altersindikator angesehen werden. Aber auch Riesensterne am Ende des Sternenlebens können noch sehr aktiv sein.
 
Prof. Dr. Martin Wilkens, Institut für Physik, Universität Potsdam

Quanten-Spiele (21. Januar 2003)

Quanteninformationsverarbeitung ist ein vergleichsweises junges Forschungsfeld auf der Schnittstelle von Physik und Informatik. Die Quantenunschärfen, die auf den ersten Blick eher störend erscheinen, erweisen sich bei näherem Hinsehen als entscheidende Resource für eine ganz neue Art von Rechnern, Kommunikationsprotokollen und Spiel-Strategien. Der Vortrag vermittelt eine Einführung in dieses spannende Forschungsfeld. Als Beispiel wird die Quantisierung des sog. Gefangenen-Dilemmas vorgestellt und es wird gezeigt wie das Dilemma in der quantenmechanischen Formulierung aufgehoben werden kann.
 
Dr. Juan Carlos Cuevas, Universität Karlsruhe

Towards a theory of electrical conduction in single-molecule junctions (14. Januar 2003)

Present trends in the miniaturization of electronic devices suggest that ultimately single molecules may be used as electronically active elements in a variety of applications. Recent advances in the manipulation of single molecules now permit to contact an individual molecule between two electrodes and measure its electronic transport properties. In contrast to single-electron transistors based on metallic islands, molecular devices have a more complicated, but in principle tunable, electronic structure. In addition to generic principles of nanoscale physics, e.g. Coulomb blockade, the chemistry and geometry of the molecular junction emerge as the fundamental tunable characteristics of molecular junctions. In my talk, I will present our theoretical efforts to bridge traditional concepts of mesoscopic and molecular physics to describe the electronic transport through single molecules. Our approach, based on the combination of ab initio quantum chemistry methods and non-equilibrium Green functions techniques, allows us to show how the electronic structure of individual molecules is reflected in their conduction properties, and it constitutes the first step towards a quantitative theory for the a priori design of molecular devices. In particular, I will discuss three examples of special experimental interest: (i) the transport through single-atom contacts, (ii) the conductance of a hydrogen molecule, and (iii) the current through organic molecules.
 
Priv.-Doz. Dr. Jörg Büchner, MPI Göttingen

Weltraumwetter und Plasmasimulation (17. Dezember 2002)

In wachsendem Maße erkennt der Mensch seine Abhängigkeit vom sonnengesteuerten "Weltraumwetter", Thema des soeben gestarteten internationalen Forschungsprogramms "Leben mit einem Stern". Zu weit ist man jedoch vom Verständnis seiner Ursachen entfernt, um das Weltraumwetter vorauszusagen. Spannendste Herausforderung der theoretischen Physik ist es, eine adäquate Beschreibung des vielskaligen komplexen Systems "Weltraumplasma" zu finden, in dem noch dazu Magnetfelder eine zentrale Rolle spielen. Durch numerischer Simulationen können wir inzwischen nachvollziehen, wie das für das Weltraumwetter kritische Phänomen einer Plasmaexplosion im magnetoaktiven Weltraumplasma verläuft - von einer nichtlinearen Instabilität zur Bildung neuer Strukturen. So lassen sich bisher rätselhafte Beobachtungen im "Plasmalabor Weltraum" verstehen. Es besteht gute Hoffnung, mit Hilfe numerischer Simulationen weitere Phänomene der komplexen Weltraum-Wetterdynamik schrittweise zu ergründen.
 
Priv. Doz. Dr. Michael Bonitz, Universität Rostock

Neue Entwicklungen in der Plasmaphysik: Von Riesenplaneten bis zu Quantenpunkten (17. Dezember 2002)

Die Physik der Plasmen hat in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung erlebt, die weit über herkömmliche Plasmen - wie z.B. in Gasentladungen - hinausgeht. Wir wissen inzwischen, dass geladene Teilchen - Elektronen, Ionen, Löcher im Festkörper oder Positronen und die zwischen ihnen herrschende Coulombwechselwirkung die Struktur eines Großteils der uns umgebenden Materie bestimmen - von den meisten kosmischen Objekten bis zu der uns auf der Erde täglich begegnenden belebten und unbelebten Natur. Darüber hinaus erzeugt der Mensch völlig neue, in der Natur gar nicht vorkommende Systeme, wie "künstliche Atome", Quantenpunkte oder mit Lasern produzierte exotische Materie mit hundertfacher Festkörperdichte. Alle diese Systeme haben viele interessante Eigenschaften und zum Teil überraschende Gemeinsamkeiten, die in der Coulombwechselwirkung begründet liegen. Resultate aus der Plasmaphysik, insbesondere zur Abschirmung, zu linearen und nichtlinearen Plasmaschwingungen und Instabilitäten, sind daher der Schlüssel zum theoretischen Verständnis vieler neuer Entwicklungen in der Physik. Andererseits gibt es faszinierende Resultate bei "nicht-traditionellen" Plasmen, die stark korreliert sind bzw. Quanteneffekte aufweisen: Wignerkristallisation, partielle Ionisation, Tunnelprozesse, Anderson-Lokalisierung, Bosekondensation von Exzitonen, mesoskopische Coulombcluster u.a. Zur theoretischen Beschreibung dieser Entwicklungen muss der Apparat der Plasmaphysik systematisch durch Resultate aus der Quantenmechanik, Quantenfeldtheorie oder der Laser-Materie-Wechselwirkung erweitert werden. Hier hat es in den letzten Jahren große Fortschritte in Theorie und Computer-Simulationen gegeben. Dazu und zu weiteren Perspektiven gibt der Vortrag einen Überblick.
 
Priv.-Doz. Dr. Andreas Zeiler, Ulm

Komplexe Plasmasysteme: Turbulenz in Fusionsplasmen und stoßfreie Rekonnektion (10. Dezember 2002)

Durch den enormen Zuwachs an verfügbarer Rechenleistung und den Einsatz speziell entwickelter numerischer Algorithmen wurde es in den letzten möglich, komplexe Systeme in der Plasmaphysik unter weitgehend realistischen Bedingungen zu simulieren. Dies soll anhand von zwei Beispielen demonstriert werden. Turbulenz ist der dominierende Transportmechanismus in magnetisch eingeschlossenen Fusionsplasmen und damit von entscheidendem Einfluss auf das Erreichen der Zündbedingung. Eine hohe Bedeutung kommt dabei der relativ kalten Randschicht zu, die wegen der dort räumlich stark variierenden Plasmaparameter eine besondere Vielfalt an physikalischen Phänomenen zeigt. Direkte numerische Simulationen auf der Basis einer dreidimensionalen Zweiflüssigkeitsbeschreibung erlauben das Studium der gesamten Turbulenzentstehung aus verschiedenen treibenden Instabilitätsmechanismen über das Einsetzen sättigender nichtlinearer Effekte bis hin zur voll entwickelten stationären Turbulenz und zur selbstkonsistenten Erzeugung großskaliger verscherter Geschwindigkeitsfelder.
 
Priv.-Doz. Dr. Horst Fichtner, Ruhr Universität Bochum

Transportprozesse in Nichtgleichgewichtsplasmen: "Computational Physics" als Bindeglied zwischen Theorie und Beobachtung (10. Dezember 2002)

Die moderne plasmaphysikalische Forschung erstreckt sich von technologischen Anwendungen über die Fusionsphysik bis hin zur Astrophysik. Trotz dieser Spannweite zeigen viele Plasmasysteme große Ähnlichkeiten und erlauben somit ein Studium ihrer grundlegenden Eigenschaften über einen weiten Parameterbereich. Von besonderem Interesse ist das Verhalten von Plasmen, die sich nicht im Gleichgewicht befinden. Die Beschreibung ihrer Dynamik, Turbulenz und Wechselwirkung mit der Umgebung erfolgt u.a. mit Methoden der statistischen Physik. Eine Überprüfung entsprechender theoretischer Konzepte ist oft nur durch einen Vergleich von numerischen Simulationen mit Experimentergebnissen bzw. Beobachtungen möglich. Hier kommt der Disziplin "Computational Physics" eine zentrale Rolle zu, die gerade am Beispiel derjenigen Weltraumplasmen verdeutlicht werden kann, die einer direkten (in-situ) Beobachtung zugänglich sind. Numerische Studien erlauben detaillierte Untersuchungen des Transports von Wellen, den resultierenden Welle- Teilchen-Wechselwirkungen und der dadurch bedingten Dynamik der einzelnen Plasmapopulationen. Die gewonnenen Erkenntnisse haben Bedeutung sowohl für die plasmaphysikalische Grundlagenforschung als auch für die Astrophysik.
 
Priv.-Doz. Dr. Susanne Pfalzner, Uni Köln

Hochdichte Plasmen - extreme Anforderungen auch an die Theorie (3. Dezember 2002)

Unter hochdichten Plasmen versteht man Plasmen deren Dichte etwa der eines Festkörpers entspricht, deren Temperatur aber weit über 104 - 108 Kelvin liegt. Es ist offensichtlich, dass sich solch hochdichte Plasmen in einer Vielzahl von Eigenschaften von "normalen" Plasmen unterscheiden, die in erster Näherung als ideales Gas behandelt werden. Stöße innerhalb des Plasmas kommt dabei eine zentrale Bedeutung zu. Hier sollen vor allem neue Methoden zur theoretischen Behandlung solcher Systeme dargestellt und Ergebnisse zu den thermodynamischen Eigenschaften hochdichter Plasmen präsentiert werden. Darüber hinaus wird ein Einblick in moderne Methoden der numerischen Behandlung von Vielteilchenproblemen und deren Anwendbarkeit auch in anderen Bereichen der Physik, wie z. B. der Astrophysik gegeben.
 
Dr. habil. Bruce Scott, MPI Garching

Gradient getriebene Turbulenz und Strömungen in magnetisierten Plasmen (3. Dezember 2002)

 
Dr. habil. Ralf Schneider, MPI Greifswald

Plasmarandschicht in Fusionsplasmen - ein Beispiel für ein Vielskalenproblem (3. Dezember 2002)

Zum Verständnis der Prozesse in der Randschicht von Fusionsplasmen ist es nötig eine Vielzahl von Effekten, die verschiedenste Längenskalen abdecken, mittels unterschiedlicher physikalischer und numerischer Methoden zu kombinieren. Die Relevanz der besprochenen Mechanismen für andere Plasmen, z.B. technischen Niedertemperaturplasmen und stellaren Plasmen, wird ebenfalls diskutiert. Die Existenz eines Plasma-Wand Kontakts bewirkt eine Ladungstrennung auf mikroskopischer Längenskala und Aufbau bestimmter Potential-, Energiefluss- und Geschwindigkeitsverteilungen. Andererseits entstehen durch Wechselwirkung der Ionen mit der Wand Neutralteilchen (Oberflächenrekombination, Zerstäubung von Verunreinigungen), die über ihre atomphysikalischen Prozesse (Ionisation, Ladungsaustausch, Rekombination, elastische Stöße) je nach Plasmadichte wiederum stark die Plasmaeigenschaften beeinflussen. In magnetischen Fusionsplasmen wird durch die starken Transportprozesse entlang Feldlinien bereits in einfachen Modellen das nichtlineare Verhalten der Plasmarandschicht verständlich. Aufwändige numerische Modelle (Plasmaflüssigkeitscodes gekoppelt mit kinetischen Neutralteilchentransportcodes) erlauben in Kombination mit detaillierten Messungen ein tieferes Verständnis der Physik.
 
Dr. Harald Schaub, Universität Bamberg

Menschliches Versagen: Vom Handeln menschlicher und virtueller Akteure in komplexen Systemen (26. November 2002)

Katastrophen, Unfälle, Krisen: Das menschliche Handeln beim Umgang mit komplexen Systemen scheint geprägt von Irrtümern, Fehlern und Versagen. Was sind die psychologischen Bedingungen, die unser Denken, Entscheiden und Handeln prägen? Es wird berichtet über die spezifischen Merkmale und Anforderungen komplexer Systeme, die es für menschliche Akteure schwierig machen, mit Unbestimmtheit und Komplexität umzugehen. An der Univ. Bamberg wurde und wird eine Theorie entwickelt, die in der Lage ist, dass menschliche Wollen und Tun zu beschreiben, zu erklären und vorherzusagen. Die in dieser Theorie formulierten Strukturen und Prozesse finden Eingang in die Konstruktion und Bau künstlicher Agenten, die ihrerseits wieder in komplexen Systemen agieren. Das Funktionieren dieser Akteure liefert zum einen die Grundlage für die Überprüfung der Theorie und stellt zum anderen eine Ergänzung der Forschungen zur künstlichen Intelligenz (AI) und zum künstlichen Leben (Alife) um den Aspekt der künstlichen Seele dar.
 
Dr. Andre Melzer, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Kiel

Kaustische Phänomene und optische Katastrophen: Von der Kaffeetasse zu Machkegeln in komplexen Plasmen (19.November 2002)

In diesem Vortrag soll eine Brücke von den - auf den ersten Blick unzusammenhängenden - physikalischen Effekten der Kaustik in der Kaffeetasse über den Regenbogen bis hin zu Machschen Kegeln in komplexen Plasmen geschlagen werden. Dabei werden Bereiche der geometrischen und Wellenoptik sowie der Dispersion von Wellen angesprochen,die typischerweise in der Ausbildung eher am Rande behandelt werden. Insbesondere wird auch die Anwendung dieser Methoden in aktuellen Forschungsfragen bei den komplexen Plasmen vorgestellt und diskutiert.
 
Prof. Dr. Michael Drewsen, University of Aarhus

Ion Coulomb Crystals: Properties and Applications (12. November 2002)

When trapped ions are cooled below a certain critical temperature (typically about ten milli-Kelvin) they form spatially ordered structures, often referred to as ion Coulomb crystals. Besides being very interesting objects within the field of non-neutral plasmas, single species ion Coulomb crystals have already proved to be valuable in a large variety of studies, including high- resolution spectroscopy and demonstration of quantum logic gates. Multi-species ion Coulomb crystals, which have only recently been studied experimentally, have the advantage that one ion species can work as a ”coolant” for the other species. This makes them very attractive for an even larger range of physics studies, including such very different topics as production of cold molecular ions and storage of quantum states of light. In the talk, I will give an introduction to the properties of ion Coulomb crystals and discuss some of their applications.
 
Prof. Dr. Manfred Schüssler, MPI für Aeronomie, Katlenburg-Lindau

Wie gut verstehen wir die Sonne? (5. November 2002)

Die Sonne ist ein komplexes System: man findet Strukturierung auf allen beobachteten Skalen, ein breites Spektrum physikalischer Regimes und eine oft vehemente Dynamik. In unserem Verständnis der Sonne sind im Verlauf der letzten Dekade einige bemerkenswerte Fortschritte zu verzeichnen. So konnte durch die Analyse der Eigenschwingungen des Sonnenkörpers mittels der sog. Helioseismologie ihr innerer Aufbau mit hoher Genauigkeit bestimmt und mit Modellen verglichen werden, was nicht unerheblich zur Entdeckung der Neutrino-Oszillationen beitrug. Ebenfalls mittels der Helioseismologie konnte die differentielle Rotation in der Konvektionszone der Sonne vermessen und der Sitz des Sonnendynamos, der das Magnetfeld der Sonne erzeugt, am Boden der Konvektionszone lokalisiert werden. Ein Mechanismus zur Erzeugung sehr starker Magnetfelder konnte in dieser Region identifiziert werden. Die strukturbildende Wechselwirkung von Magnetfeldern und konvektiven Strömungen in den oberflächennahen Schichten wurde durch eine Kombination von Messungen und numerischen Simulationen aufgeklärt. Hier liegt der Schlüssel für die Heizung der solaren Korona durch die Dissipation magnetischer Energie und die Quelle für die energetischen Ereignisse wie Flares und Massenauswürfe. Der Vortrag soll einen Einblick in einige dieser neueren Entwicklungen geben, wobei der Schwerpunkt auf der Helioseismologie und der Dynamik des solaren Magnetfeldes liegen wird.
 
Prof. Dr. Robert Wimmer-Schweingruber, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik

Ursprung und Schicksal von Teilchen in der Heliosphäre (29. Oktober 2002)

Das interplanetare Medium, ein ausgezeichnetes Vakuum, wird ausgefüllt durch Teilchen aus verschiedenen Quellen. Der der Sonne entströmende Sonnenwind trägt mengenmäßig am meisten bei, die Teilchen mit der höchsten Energie stammen aus der galaktischen kosmischen Strahlung. Im Energiebereich zwischen diesen beiden Populationen stammen Teilchen aus verschiedensten Quellen, wie z.B. planetaren Atmosphären und Magnetosphären, interplanetarem Staub, dem interstellaren Medium oder auch gigantischen Teilchenbeschleunigern in der Heliosphäre. Messungen heliosphärischer Teilchen erlauben Rückschlüsse über deren Ursprung, über Prozesse, welche an der Beschleunigung beteiligt sind und erlauben es, Modelle dafür zu testen, welche uns auch das Schicksal der Teilchen voraussagen.