67. Physikertagung der DPG, Hannover 2003

Plenarvorträge - Abstracts

Gravitationswellenastronomie - Die ersten Detektoren gehen in Betrieb!

Karsten Danzmann - Universität Hannover und Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, (Albert-Einstein-Institut), Callinstr. 38, D-30167 Hannover

In diesem Jahr beginnen die ersten km-grossen laserinterferometrischen Gravitationswellendetektoren mit der Datenaufnahme. Das deutsch-britische GEO600 Projekt mit einem Detektor in Hannover und das amerikanische LIGO Projekt mit jeweils einem Detektor in den Bundesstaaten Washington und in Louisiana haben die gemeinsame Analyse ihrer Daten vereinbart. Das französisch-italienische VIRGO Interferometer bei Pisa wird voraussichtlich im Jahr 2004 ebenfalls Daten beisteuern. Für das ESA/NASA Weltraumprojekt LISA, ein Interferometer mit 5 Mio. km langen Armen, beginnt in diesem Jahr die Hardware-Entwicklung für die Technologie-Demonstrationsmisson SMART-2 mit einem Start im Jahr 2006.

Quantengravitation und Topologie

Domenico Giulini - Fakultät für Physik, Universität Freiburg, Hermann-Herder-Straße, 3 D-79104 Freiburg

Allen Versuchen eine Quantentheorie der Gravitation zu finden ist gemeinsam, daß sie wesentliche Strukturelement der klassischen Theorie übernehmen. Zu diesen gehört insbesondere die Invarianz unter allgemeinen (differenzierbaren) Punkttransfomationen, die das zentrale Charakteristikum der Allgemeinen Relativitätstheorie ist. Versuche diese Invarianz in der Quantentheorie zu implementieren führen u.a. auf einige faszinierende und teilweise ungelöste topologische Probleme, von denen eine Auswahl in diesem Vortrag angesprochen werden sollen.

Energie: Optionen für die Zukunft

Klaus Heinloth - Physikalisches Institut, Universität Bonn, Nussallee 12, D-53115 Bonn

Wieviel Energie wir brauchen werden, hängt ab von den Entwicklungen von Bevölkerung, Wirtschaft und Energieeffizienz.
Zur Deckung des künftigen Energiebedarfs haben wir eine Fülle von Optionen
- für innovative Bereitstellung von Strom aus Wärmekraft-Turbinen-Generatoren und Brennstoffzellen, aus Wasser, Wind und Sonne, aus Kernspaltung und Kernfusion;
- für innovative Nutzung von Wärme aus Sonne und Erde, vor allem zur Heizung angemessen gebauter Häuser;
- für innovative Befriedigung des Bedarfs an Verkehr, zum einen auf der Strasse und in der Luft unter Nutzung umweltschonender Treibstoffe, zum anderen auf der Schiene;
- und vielleicht für neue, wünschenswerte Felder unserer Lebensgestaltung.

Kohärenz und Streuung von Photo-und Augerelektronen

Uwe Becker - Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, 14195 Berlin

Die als Ergebnis der Wechselwirkung von energiereichen Photonen mit Atomen, Molekülen oder Clustern erzeugten Fragmente, wie Elektronen und Fragmentionen, werden in zunehmenden Maße nicht mehr getrennt, sondern in wechselseitiger Koinzidenz nachgewiesen [1]. Dies erlaubt Einblicke in Eigenschaften sowohl der erzeugten Fragmente als auch des Ausgangstargets, die bisher der Untersuchung nicht zugänglich waren. Dies sind vor allem Kohärenz- und Streueigenschaften von Photoelektronen, die sich aus der ursprünglich delokalen oder lokalen Verteilung der im Target gebundenen Elektronen ergeben. Diese Eigenschaften führen zu charakteristischen Intensitäts- und Winkelverteilungen der emittierten Elektronen, die Rückschlüsse auf die elektronische Ladungsverteilung im Target zulassen [2]. Elektronenemission aus schnell dissoziierenden Systemen besitzt ein besonders großes Potential für derartige Untersuchungen, da die durch den Dopplereffekt bewirkte Entkopplung der gestreuten, von der direkt emittierten Elektronenwelle, neue Möglichkeiten zur Strukturuntersuchung von dynamischen Systemen, wie dissoziierenden Molekülen, ermöglicht. Dies wird an Hand der atomaren Autoionisation von SF6 nach K-Schalenanregung des Fluoratoms näher erläutert.

[1] T. Jahnke et al., Phys. Rev. Lett. 88, 073002 (2002),
     O. Geßner et al., Phys. Rev. Lett. 88, 193002 (2002).
[2] A. Rüdel et al., Phys. Rev. Lett. 89, 125503 (2002).

Quantum information and quantum optical systems

Ignacio Cirac - Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Hans-Kopfermann-Str. 1 D-85748 Garching

Quantum information processing and communication is a multidisciplinary field of research in which the goal is to use some of the intriguing properties of quantum mechanics in order to process and transmit information. For the moment, there are very few systems on which one can test the main ideas of quantum computing, perhaps the most important application in this field. On the one hand, we have quantum optical systems, typically atoms or ions, which interact with laser fields and that are trapped by electromagnetic forces. On the other, we have solid state devices (quantum dots or superconductor devices, for example) which can be electronically controlled. In this talk I will revise some of the ideas of how to perform quantum computations using atoms, ions and photons, and present some other applications of quantum information theory.

Ultrakalte Quantengase - die kälteste Materie im Universum

Wolfgang Ketterle - MIT, Cambridge

Was passiert, wenn ein Gas bis zum absoluten Nullpunkt abgekühlt wird? Es öffnet sich ein neues Fenster in die Quantenwelt, da alle Atome beginnen, "im Gleichschritt zu marschieren"", sie bilden eine riesige Materiewelle das Bose-Einstein-Kondensat. Dieses Phänomen wurde 1925 von Albert Einstein vorhergesagt, aber erst 1995 beobachtet. Diese neue Form von Materie hat bemerkenswerte Eigenschaften. Die Atome verhalten sich wie eine Lichtwelle im optischen Laser --- dies hat zur Entwicklung von Atomlasen geführt, intensiven Quellen von kohärenten Materiewellen, und auch zur Beobachtung von Superfluidität und quantisierten Vortices.

Laserspektroskopie molekularer Cluster

Klaus Müller-Dethlefs, Chair of Physical Chemistry, Department of Chemistry The University of York, Heslington, York, YO10 5DD, Großbritannien

Molekulare Cluster, produziert im Überschall-Molekülstrahl, sind ideale Modellsysteme zur Untersuchung nicht-kovalenter Wechselwirkungen, die für die Struktur und Dynamik komplexer Systeme, wie Flüssigkeiten und Biomoleküle, von entscheidender Bedeutung sind. Die intermolekularen Van der Waals und Wasserstoffbrückenbindungen und die intermolekularen Schwingungen können in molekularen Clustern präzise und aussagekräftig mit modernen Methoden der optischen Laserspektroskopie untersucht werden. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden große Fortschritte mit der resonanten Mehrphotonenionisation (REMPI), der Zero Electron Kinetic Energy (ZEKE) Photoelektronenspektroskopie, der UV oder IR Lochbrennspektroskopie sowie, neben der Mikrowellenspektroskopie, mit der Terahertz und IR Spektroskopie erzielt. Diese experimentellen Fortschritte wurden begleitet von immensen Fortschritten quantenmechanischer ab initio Methoden zur Berechnung von Potentialflächen, die heute aussagekräftige Ergebnisse auch für größere Cluster liefern.
Der Plenarvortrag zeigt an verschiedenen Beispielen auf, wie die experimentelle und theoretische Methodenentwicklung zu einem wesentlich besseren Verständnis molekularer Cluster bis hin zu großen mikrosolvatierten Biomolekülen geführt hat und wie diese Ergebnisse auf noch komplexere Systeme angewendet werden können.

C. E. H. Dessent and K. Müller-Dethlefs, Hydrogen-Bonding and Van der Waals Complexes Studied by ZEKE and REMPI Spectroscopy Chem. Rev. 100, 3999 (2000)
K. Müller-Dethlefs and P. Hobza, Non-covalent Interactions: A Challenge to Experiment and Theory Chem. Rev. 100, 143 (2000)

Klimawandel und Wetterextreme

H. Graßl, Meteorologisches Institut, Universität Hamburg, Max-Planck-Institut für Meteorologie, Bundesstr. 55, D-20146 Hamburg

Der beobachtete Klimawandel führt unweigerlich zu veränderter Klimavariabilität, die in den großen Abweichungen vom langjährigen Mittelwert die Wetterextreme enthält. Da die Menschheit den Klimawandel wesentlich verursacht und höchstwahrscheinlich beschleunigt, muss unsere Infrastruktur neu geschützt werden. Nach einer Darstellung beobachteter Klimavariabilität, von deren Trends und deren hochgerechneter Veränderung, werden Hinweise für einen verbesserten Schutz vor Wetterextremen gegeben, die lokales Anpassen und globale Abwehr vereinen.

Wie macht man das Fluoreszenzmikroskop schärfer? Fernfeldmikroskopie jenseits der Abbe-Grenze

S. W. Hell, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Am Faßberg 11, 37077 Göttingen

Seit Ernst Abbes Arbeiten gilt gemeinhin, daß in einem fokussierenden Lichtmikroskop keine Auflösungen von besser als einer halben Wellenlänge, erzielt werden können. In einem konfokalen Mikroskop, dem zur Zeit schärfsten Standard-Lichtmikroskop, erreicht man bestenfalls Auflösungen von 150 nm in der Fokalebene und von 500 nm entlang der optischen Achse. Enger benachbarte Objekte können nicht mehr als getrennt wahrgenommen werden. Die Beugungsgrenze ist für die biologische Grundlagenforschung besonders nachteilig, weil nur fokussiertes, sichtbares Licht das Innere lebender Zellen abbilden kann. Wir berichten über physikalische Konzepte, die eine fundamentale Steigerung der Auflösung in der - für die Biologie sehr wichtigen - Fluoreszenzmikroskopie ermöglichen. Wir erläutern die physikalischen Effekte, die zur Überlistung der Beugungsgrenze führen, und zeigen erste Experimente zur Fluoreszenzmikroskopie mit 30-50 nm Auflösung, entsprechend etwa einem Zwangzigstel der Wellenlänge.

Reducing Stock piles and Use of Highly-Enriched Uranium

Frank N. von Hippel, Program on Science and Global Security, Princeton University, Princeton

It would be relatively easy for terrorists to make a nuclear explosive out of highly-enriched uranium (HEU, containing more than 20% U-235) -- especially out of weapon-grade uranium (WgU, > 90% U-235). Because of very low spontaneous neutron production in metallic uranium, it is possible to assemble a supercritical mass of 50-100 kg of WgU with a simple "gun-type" design with a low probability that the fission chain reaction will start prematurely.

About 1000 tons of WgU have become excess as a result of the down-sizing of the Russian and U.S. nuclear arsenals. The U.S. has agreed to purchase 500 tons from Russia after the WgU has been diluted to the 4-5 percent U-235 mixture that is used in power-reactor fuel. About 200 tons of excess U.S. HEU is being blended down for use in power-reactor fuel. The U.S. is putting most of its own excess WgU in storage, however, for future use in naval-reactor fuel.

While most of the world's HEU is in nuclear weapons and associated facilities, tens of tons exist in about one hundred civilian research institutes worldwide where security is typically weak. Retrieval of the spent HEU fuel at these facilities - and of the fresh HEU fuel of shut-down facilities - and conversion of still-operating facilities to low-enriched uranium (LEU) should be among the most urgent tasks for our anti-terrorist efforts.

A final focus should be on converting naval and Russian ice-breaker reactors to LEU. At least some of France's nuclear submarines already use LEU.

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