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Tübingen — ein „Schauplatz der Quantentheorie”︁
Authors: Brandmüller J.
Published: February 2013

Friedrich Hund hat in seiner „Geschichte der Quantentheorie”︁ einige „Schauplätze der Quantentheorie”︁ dargestellt. Darunter sind unter anderem Städte wie Berlin, Göttingen, Kopenhagen, München und Zürich genannt, jedoch nicht Tübingen. Liest man etwas genauer, so ist der Beitrag Tübingens zur Entwicklung der Quantentheorie implizit in dem von München enthalten. Einige Jahrzehnte lang bestand eine starke Wechselwirkung zwischen Tübingen und München. Die Hauptakteure waren Friedrich Paschen, er war von 1901 bis 1924 Ordinarius für Experimentalphysik an der Universität Tübingen, und Arnold Sommerfeld, der von 1906 bis 1938 Ordinarius für Theoretische Physik an der Universität München war. Weitere Akteure, waren Walther Gerlach und Ernst Back, beide Schüler von Paschen. Ferner ist zu nennen Alfred Landé. Er hat 1914 bei Sommerfeld in München promoviert und war von 1922 bis 1931 Professor für Theoretische Physik in Tübingen. Hermann Schüler, der bei Paschen studiert hatte, schrieb in einem Nachruf auf Paschen: „Sein (Paschens) Werk bildet einen Teil des Fundamentes, auf dem der Bau der Quantenmechanik errichtet werden konnte”︁. Goudsmit sagte in einem Vortrag 1965 bei der Überreichung der Max‐Planck‐Medaille: „Paschen war ein großer Physiker und auch ein wunderbarer Mensch … Leider ist er von den Physikern fast vergessen und von den Historikern unbeachtet, obgleich seine Arbeiten für die Entdeckung der Atomphysik grundlegend waren”︁. Im folgenden soll dieser Tübinger Anteil des Fundamentes gewürdigt werden.
Der Plasmafokus: Eine neue Röntgenquelle für die Röntgenmikroskopie und Röntgenlithographie
Authors: Eberle J. , Holz C. , Lebert R. , Neff W. , Richter F. , Noll R.
Published: February 2013

Plasmaröntgenquellen kleiner Abmessungen und hoher Brillanz im Spektralbereich von ca. 0,7 nm bis 4 nm werden in der Röntgenmikroskopie und Röntgenlithographie eingesetzt. Mit modifizierten Plasmafokusanlagen lassen sich selektiv strahlende Plasmen aus Hoch‐Z‐Atomen erzeugen. Die typischen Dimensionen dieser Plasmaröntgenquellen liegen im Submillimeterbereich. Bei geeigneter Wahl der Plasmaparameter dominiert die Linienemission hochionisierter Atome vor anderen Emissionsmechanismen. Erste Resultate zeigen, daß in der Röntgenlithographie mit einer Plasmafokus‐Röntgenquelle Strukturen kleiner als 0,2 μm erzeugt werden können.
Das Anthropische Prinzip — ein neues Erklärungsschema der Physik?
Authors: Kanitscheider B.
Published: February 2013

Die klassische und die relativistische Kosmologie sind am Objektivitätsideal der lokalen Physik orientiert, demzufolge dem Menschen keinerlei Rolle bei der Erklärung und Prognose des Verhaltens physikalischer Systeme zukommt. Diesem erkenntnistheoretischen Ideal stehen seit ungefähr 15 Jahren neue subjektivistische Erklärungsmuster gegenüber, die unter dem Namen „Anthropisches Prinzip”︁ bekannt sind. Verfechter dieses Prinzips postulieren kausale Beziehungen zwischen inneren Eigenschaften des Menschen und bestimmten Werten von Parametern, die die großräumige Struktur des Universums beschreiben. Das Anthropische Prinzip ist in den letzten Jahren nicht nur Gegenstand heftiger Kontroversen in Fachzeitschriften geworden, es haben ganze Kongresse stattgefunden, die ausschließlich der Interpretation dieses neuen kosmologischen Prinzips gewidmet waren. Zwei große Tagungen, die Ende letzten Jahres in Venedig und Los Angeles stattfanden, nahm die Redaktion zum Anlaß, Herrn Professor Bernulf Kanitscheider einzuladen, den aktuellen Stand der Diskussion zu referieren.
Neue Beschleuniger und Experimentieranlagen für schwere Ionen bei der GSI
Authors: Kienle P. , Siegert G.
Published: February 2013

Das Ziel, alle Elemente bis zu Uran auf Energien zwischen 1 und 2 GeV pro Kernbaustein (GEV/u) beschleunigen zu können, ist unter Einhaltung des Zeit‐ und Kostenplans erreicht. — Als Injektor für SIS dient der von Professor Schmelzer und seiner Gruppe gebaute Linearbeschleuniger UNILAC. Er wurde so modifiziert, daß er zusätzlich zur Weiterführung des bisherigen Experimentierprogramms mit Energien bis zu 20 MeV pro Kernbaustein (MeV/u) genutzt werden kann. Die im SIS beschleunigten Strahlen können vollkommen ionisiert und im ESR gesammelt werden. Mit verschiedenen Kühlverfahren lassen sich die im ESR gespeicherten Ionenstrahlen zur höchstmöglichen Phasen‐raumdichte, möglicherweise bis zur Kristallisation, komprimieren. Durch Kernfragmentation werden auch radioaktive Strahlen erzeugt, im ESR gesammelt und gekühlt. Damit wird es möglich, Kernreaktionen und Kernstrukturexperimente mit Strahlen von Kernen weitab vom Tal der Stabilität durchzuführen. Neben der Kernfragmentation sollen in ersten Experimenten zentrale Kern‐Kern‐Stöße untersucht werden, bei denen erhitzte, komprimierte und hochangeregte Kerne erzeugt werden. Insbesondere steht die Untersuchung der Anregung mesonischer Freiheitsgrade in Kernen im Vordergrund. Auf dem Gebiet der Atomphysik wird es möglich, hochionisierte Atome zu erzeugen und zu spektroskopieren sowie atomare Prozesse beim Stoß mit Atomen, Elektronen und Lichtstrahlen zu untersuchen. Hochenergetische Schwerionen können vorteilhaft zur Erzeugung von Plasmen hoher Dichte und Temperaturen sowie zu neuartigen radiobiologisch‐medizinischen Forschungen verwendet werden.

Über die Ausbaupläne der GSI wurde schon in einem früheren Artikel (PHYSIKALISCHE BLÄTTER 42 (1986) Nr. 4, S. 93–96) ausführlich berichtet. Im folgenden wird der gegenwärtige Stand beschrieben.
Keine Entwarnung in der Klimafrage
Authors: Keppler E.
Published: February 2013

Die beobachteten Veränderungen der vergangenen hundert Jahre sind ein Indiz, kein Beweis für die Existenz des zusätzlichen Treibhauseffektes — Die Entwicklung der kommenden Jahrzehnte wird von der dann deutlicher hervortretenden Erwärmung geprägt sein.
Cluster‐Algorithmen sparen Rechenzeit bei Ising‐Simulationen
Authors: Stauffer D.
Published: February 2013

„Computational Physics”︁, also Physik auf dem Computer, wird immer bedeutender. Mancher sieht darin einen dritten Zweig der Physik zwischen experimenteller und theoretischer Physik. Die Möglichkeiten und Grenzen der Computertechnik waren Thema des 9. Tages der DPG im November 1988 (vgl. Phys. Bl. 45 (1989) Nr. 3, S. 69–83). Dort wurde auch die Idee geboren, in den Physikalischen Blättern künftig häufiger Beiträge aus dem Bereich der Computerphysik zu bringen. Ein Zentrum dieses modernen Forschungszweiges ist das von DESY (Hamburg), KFA (Jülich) und GMD (St. Augustin) getragene Höchstleistungsrechenzentrum an der KFA Jülich. Wir beginnen daher mit einem Bericht der dortigen Vielteilchen‐Gruppe, die derzeit von Professor D. Stauffer geleitet wird.
Vorsorge zum Schutz der Erdatmosphäre Enquete‐Kommission des Deutschen Bundestages legt abschließenden Bericht vor
Authors: Heinloth K.
Published: February 2013

Im Oktober legte die Enquete‐Kommission des Deutschen Bundestages „Vorsorge zum Schutz der Erdatmosphäre”︁ ihren dritten, abschließenden Bericht vor. Die Redaktion hat Herrn Prof. Klaus Heinloth, Mitglied der Kommission, gebeten, die wichtigsten Aussagen des ca. 1200 Seiten starken Werkes zusammenzufassen. Den Schwerpunkt des Berichts bilden die Empfehlungen zur Reduktion der CO2‐Emissionen in Deutschland.
Physiker zwischen Elbe und Oder ‐ Perspektiven in der Zeit nach dem Umbruch
Authors: Welke P.
Published: February 2013

Die Arbeitsmarktsituation auf dem Gebiet der ehemaligen DDR ist besorgniserregend. Dies betrifft auch die Physiker. Eine erste Beschäftigungsanalyse wurde von einem Ausschuß der DPG erarbeitet, dem auch der Verfasser angehört. An die Ergebnisse dieser Analyse soll im folgenden angeknüpft werden. Die Daten und Erhebungen, die diesem Beitrag zugrunde liegen, verdankt der Verfasser Herrn Dr. M. März von der damaligen Physikalischen Gesellschaft der DDR und vielen Landsleuten östlich der Elbe, die ihn bei seinen vielen dienstlichen und privaten Besuchen der ehemaligen DDR bereitwillig mit wertvollen Informationen unterstützt haben.
Deutsche physikalische Zeitschriften im Science Citation Index
Authors: Czerwon H. J. , Havemann F.
Published: February 2013

Die Beachtung von Publikationen in wissenschaftlichen Zeitschriften läßt sich heute mit modernen Methoden der Informationsanalyse, die auf große bibliographische Informationsfonds angewandt werden, quantitativ ermitteln. Die in Deutschland publizierten physikalischen Zeitschriften belegen danach im internationalen Vergleich zum Teil gute Rangplätze. Die folgende Analyse zeigt zeitliche Entwicklungen auf und bestätigt gleichzeitig auch deutliche Unterschiede zwischen westdeutschen und ostdeutschen Physik‐Zeitschriften.
Gewinnung von kernspinpolarisiertem 3He in hoher Dichte
Authors: Heil W.
Published: February 2013

Kernspinpolarisiertes 3He‐Gas findet in verschiedenen Gebieten der Physik Verwendung. Wichtige Anforderungen sind dabei hohe Dichten sowie hohe Polarisationsgrade. Der Artikel beschreibt eine sehr effiziente Methode des optischen Pumpens von 3He‐Atomen in einer Niederdruck‐Gasentladungszelle mit anschließender mechanischer Kompression des Gases und zeigt die erzielten Fortschritte bei der Produktion und Speicherung von polarisiertem 3He‐Gas.
Der veränderte Energiehaushalt der Erde: Globale und regionale Klimaänderung durch den Menschen
Authors: Graßl H.
Published: February 2013

Es besteht kein Zweifel mehr über den dominanten Einfluß der Industriegesellschaft auf die Veränderung der langfristigen Zusammensetzung der Spurengase in der Atmosphäre und damit — weil die Hauptklimagase betroffen sind — auch auf die Modifikation des Strahlungshaushaltes der Erde sowie auf das globale Klima. Die zunehmende Sicherheit der wissenschaftlichen Aussage ist dokumentiert in der fast weltweiten Akzeptanz von zwei UN‐Konventionen zum Schutz der Umwelt, nämlich dem Wiener Abkommen zum Schutz der Ozonschicht (Zeichnung 1985 in Wien) und dem Rahmenübereinkommen der Vereinten Nationen zu Klimaänderungen (Zeichnung 1992 in Rio de Janeiro, verkürzt Klimakonvention genannt). Zur ersten existiert bereits eine völkerrechtlich verbindliche und schon in der Atmosphäre wirksame Ausführungsbestimmung, das Montrealer Protokoll, zum zweiten zwar die völkerrechtliche Verbindlichkeit der gesamten Konvention, aber nur die Verpflichtung zu Marginalem sowie die Absicht, in Berlin bei der 1. Vertragsstaatenkonferenz ein Zeitkorsett für ein erstes Protokoll zu Kohlendioxidreduktionen zu bekommen.

Im folgenden wird der wissenschaftliche Sachstand zu Klimaänderungen referiert, wobei diese allerdings zunächst eingebettet in andere globale Umweltprobleme betrachtet werden. Danach werden die vier aus der veränderten Zusammensetzung der Atmosphäre stammenden, zumindest kontinentweiten, meist jedoch globalen Umweltprobleme (sie sind alle auch klimaändernd) im einzelnen vorgestellt. Schließlich sollen ihre zukünftigen Klimawirkungen, mit gekoppelten Ozean‐Atmosphäre‐Modellen abgeschätzt, die Notwendigkeit zur globalen Aktion klarmachen.
Das Informationsproblem bei Schwarzen Löchern
Authors: Kiefer C.
Published: February 2013

Geht die Information über den Anfangszustand, aus dem sich ein Schwarzes Loch bildet, nach dessen Zerstrahlung verloren? Die Antwort auf diese Frage — auch als Informationsproblem bei Schwarzen Löchern bezeichnet — könnte den Schlüssel zu einer fundamentalen Theorie liefern, die Gravitation und Quantentheorie vereinigt.
Statistiken zum Physikstudium in Deutschland 1996
Authors: Reineker P.
Published: February 2013

Die Konferenz der Fachbereiche Physik (KFP) hat auch in diesem Jahr Daten zum Physikstudium erhoben. Im einzelnen wurde die Entwicklung der Anfängerzahlen, die Zahl der Studierenden im dritten Fachsemester, die Zahl der abgeschlossenen Vordiplome, Diplome und Promotionen und die Studiendauern bis zum Diplom ermittelt. Die Zahl der Studienanfänger ist erneut zurückgegangen auf nunmehr 5424, d. h. um knapp 13 % im Vergleich zum Vorjahr (1994/95) und liegt damit um 23.5 % unter dem aus den Anfängerzahlen der letzten 12 Jahre gebildeten Mittelwert. Die Zahl der Studierenden im dritten Fachsemester beläuft sich auf 4374. Das sind 70.2 % der Anfänger des Vorjahres. Die Zahl der Absolventen im Diplomstudiengang ist im Vergleich zum Vorjahr leicht zurückgegangen von 3680 auf 3592. Einschließlich der vorliegenden Zahlen für Absolventen in den Lehramtsstudiengängen beläuft sich die Absolventenzahl auf 4306. Da die Zahlen der Abschlüsse der Lehramtsstudiengänge einiger Universitäten nicht zuverlässig zur Verfügung stehen, ist nicht sicher ob die Gesamtzahl der Abschlüsse schon leicht rückläufig ist. Auf alle Fälle zeigt sich eine Verschiebung von Diplom‐ zu den Lehramtsstudiengängen an. Im nächsten Jahr wird man noch von über 4000 Absolventen (Diplom und Lehramt) ausgehen müssen. Die mittlere Studiendauer bis zum Diplom konnte gehalten werden. Der über die 3356 Absolventen (ohne Di‐Studiengänge) in den alten Bundesländern gemittelte Medianwert beträgt wieder 12.2 Semester. Der entsprechende Wert in den neuen Bundesländern liegt bei 10.9 % Semestern.
Suprafluides Helium 3 — ein Testfeld für grundlegende Konzepte der modernen Physik
Authors: Vollhardt D. , Wölfle P.
Published: February 2013

Mit der Verleihung des Nobelpreises für Physik 1996 an die amerikanischen Tieftemperaturphysiker David M. Lee (Cornell University), Douglas D. Osheroff (Stanford University) und Robert C. Richardson (Cornell University) für die Entdeckung der suprafluiden Phasen von Helium 3 in den Jahren 1971–72 wird eine Leistung gewürdigt, die die Tür zu dem wohl faszinierendsten System der kondensierten Materie öffnete. Die suprafluiden Phasen des Helium 3 haben sich als das ideale Testfeld für viele der grundlegenden Begriffe der modernen theoretischen Physik, wie makroskopische Quantenphänomene, Symmetrien und deren spontane Brechung, topologische Defekte usw., erwiesen. Sie haben damit die Physik der kondensierten Materie außerordentlich bereichert und unter anderem wesentlich zum Verständnis verschiedenster physikalischer Systeme, von Hochtemperatur‐Supraleitern bis hin zu Neutronensternen, beigetragen. Die Preisverleihung war seit langem erwartet worden.
Plasmakristall und Plasmafalle
Authors: Homann A. , Melzer A. , Piel A.
Published: February 2013

Regelmäßige kristallartige Anordnungen geladener Teilchen sind von hohem ästhetischen Reiz und haben in der Physik Bedeutung als Modellsysteme, an denen sich fest‐flüssig‐Phasenübergänge in zwei und drei Dimensionen studieren lassen. Die Erzeugung solcher Kristalle mit hochgeladenen Partikeln von Mikrometergröße in Hochfrequenzentladungen ist ein Phänomen, das erst seit zwei Jahren bekannt ist. In diesem System, dem Plasmakristall, kann man die Struktur und die Teilchendynamik unmittelbar mit dem bloßen Auge und auch quantitativ mit der Videokamera untersuchen. Wir stellen hier einen Phasenübergang des Plasmakristalls vor, der durch eine Zunahme der kinetischen Energie der Teilchen getrieben wird. Eine unerwartete hexagonal ausgerichtete Struktur läßt sich mit Eigenschaften der Plasmafalle erklären.
Beratender Ausschuß der Industriephysiker: Vom Chip zum Mikrosystem
Authors: Ambrosy A. , Haupt H.
Published: February 2013

Durch moderne Technologien lassen sich die Grenzen der Leistungsfähigkeit von elektronischen oder optoelektronischen Chips, OEICs, und ICs immer weiter hinausschieben. Diese Verbesserungen kommen den Systemen aber nur dann zugute, wenn auch das Umfeld dieser Komponenten, d. h. die Aufbau‐ und Verbindungstechnik sowie das Gehäuse, denselben Anforderungen genügen. Dies macht es notwendig, die Chips und ihre Umgebung in ein ganzheitliches Design als miniaturisiertes System einzubeziehen, als funktionales Mikrosystem. Der folgende Beitrag gibt einen Einblick in die Anforderungen und Probleme bei der Realisierung solcher Systeme.
Neue Ansätze für Chemo‐ und Biosensoren in Siliziumtechnik
Authors: Lüth H. , Schöning M. J. , Thust M.
Published: February 2013

Isolatorschichten aus Siliziumnitrid, Aluminiumoxid und Tantalpentoxid verhalten sich in Kontakt mit wäßrigen Elektrolyten pH‐sensitiv. In Abhängigkeit vom pH‐Wert der umgebenden Lösung ändert sich ihre Oberflächenladung an der Grenzfläche zwischen Isolator und Elektrolyt. Diesen Effekt nutzt man bei kapazitiven pH‐Sensoren auf Siliziumbasis aus, und durch die Kombination mit hochspezifischen organischen Makromolekülen wie Enzymen lassen sich damit sog. Biosensoren aufbauen. Die Attraktivität von Enzymen für die Entwicklung von Biosensoren liegt in ihrer großen chemischen Selektivität und Sensitivität begründet, die die molekulare Erkennung und quantitative Erfassung komplizierter Verbindungen möglich macht. Heute verhindert insbesondere die unzureichende Langzeitstabilität solcher Sensoren deren kommerziellen Einsatz in Bereichen wie Lebensmittelkontrolle, Pharmakologie oder Medizin. Der erstmalige Einsatz von Laserablation zur Deposition pH‐sensitiver Schichten und neue Methoden der Fixierung von Proteinen haben jedoch zu wesentlichen Verbesserungen der bisherigen Technologie geführt.
Tropfenbildung
Authors: Eggers J.
Published: February 2013

Die Wirkungsweise von Rasensprengern, Parfumzerstäubern oder Tintenstrahldruckern beruht auf der Oberflächenspannung. Diese führt dazu, daß sich ein Flüssigkeitsstrahl unter Verringerung der Oberfläche einschnürt und Tropfen bildet. In der Nähe des singulären Punktes, in dem sich ein Tropfen abtrennt, gelten selbstähnliche Lösungen der zugrundeliegenden Gleichungen, die unabhängig von den Anfangsbedingungen und der Art der Flüssigkeit sind.
Superstarke Magnete intermetallischer Verbindungen der Seltenerdmetalle: Leistungssteigerung durch nanokristalline Strukturen
Authors: Kronmüller H.
Published: February 2013

Metallische Werkstoffe mit ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften sind weder aus dem täglichen Leben noch aus der modernen Technik wegzudenken. Die Entwicklung superstarker Permanentmagnete hat insbesondere zu bemerkenswerten Innovationen in allen Bereichen der Technik geführt. Viele neuartige Anwendungen in der Steuerungs‐ und Medizintechnik, bei Elektromotoren in der Kraftfahrzeug‐ und Luftfahrtindustrie, beim Bau von Wigglern und Undulatoren für die Erzeugung von Synchrotronstrahlung sowie in der Computer‐ und Datenspeichertechnik wären ohne die erfolgreiche Weiterentwicklung von Dauermagneten nicht möglich gewesen.
Digitale Optik
Authors: Jahns J.
Published: February 2013

Der Begriff Information hat in den Naturwissenschaften und der Technik eine ebenso fundamentale Bedeutung wie der Begriff Energie. Information kann gespeichert, übertragen und verarbeitet werden. Physikalisch kann Information mit elektrischen bzw. elektronischen, optischen, akustischen oder magnetischen Signalen übertragen werden, die wiederum analog, oder digital dargestellt sein können oder im Falle der Pulskodierung in einer Zwischenform. In diesem Beitrag befassen wir uns mit „digitaler Optik”︁, worunter ganz allgemein der Einsatz optischer Verfahren zur digitalen Informationsübertragung, ‐speicherung und ‐verarbeitung zu verstehen ist. In allen drei Teilbereichen schickt sich die Optik an, existierende elektronische Verfahren zu ersetzen oder zu ergänzen. Während für bisherige Anwendungen im Bereich der Telekommunikation vornehmlich die Glasfaser‐ und Wellenleitertechnologie eingesetzt wird, gewinnt die Freiraumoptik zunehmend an Bedeutung, weil sie massiv parallelen Datentransfer erlaubt. Dies ist für künftige Anwendungen im Bereich der Verbindungstechnik in Computern, also der Datenübertragung über kurze und kürzeste Entfernungen, wichtig und ebenso in der Speichertechnik. Der folgende Beitrag zeigt die Trends auf, die sich mit dem Begriff „Digitale Optik”︁ verbinden. Er beleuchtet die sich abzeichnenden Möglichkeiten und zeigt die noch zu lösenden Probleme auf.
Die Geburt der Statistischen Mechanik aus dem Geist der Elektronentheorie der Metalle
Authors: Renn J.
Published: February 2013

Die Statistische Mechanik verdankt, jedenfalls in ihrer Einsteinschen Version, ihren Ursprung der Herausforderung der kinetischen Theorie der Wärme durch die Elektronentheorie der Metalle. Das geht aus zum Teil erst kürzlich vollständig bekannt gewordenen zeitgenössischen Dokumenten hervor. Um 1901 hat sich demnach Albert Einstein als Student intensiv mit der Elektronentheorie der Metalle beschäftigt und einem ihrer Begründer, Paul Drude, einen Brief mit zwei sachlichen Einwänden gegen dessen Theorie gesandt. Über die Natur dieser Einwände konnte man bisher nur spekulieren. Eine jetzt bekannt gewordene Briefstelle macht klar, daß einer dieser Einwände auf Drudes Verwendung von Resultaten der Boltzmannschen kinetischen Gastheorie zielte. Der junge Einstein war überzeugt, daß zur Begründung der Elektronentheorie eine Theorie mit weniger speziellen Annahmen als denen der Gastheorie erforderlich war. Während Drude die Kritik zurückwies, entwickelte Einstein aus dieser Aufgabenstellung seine Version der Statistischen Mechanik, die er, unabhängig von Gibbs, beginnend im Jahre 1902 veröffentlichte.
Die Farben von Kaustiken: Katastrophen in Regentropfen und Strukturglas
Authors: Berry M. V. , Klein S.
Published: February 2013

Vielleicht wissen Sie nicht, was optische Kaustiken sind oder Sie können sich einfach nicht daran erinnern, aber Sie sind von ihnen umgeben. Sie sehen sie jeden Tag Ihres Lebens. Es fängt schon morgens an. Schauen Sie doch einmal in Ihre Tasse Milchkaffee: Das Licht einer kleinen Deckenlampe oder der Sonne wird in zwei helle Kurven fokussiert, die sich in einem Punkt aneinanderschmiegen. Bei Regen können Sie eine andere Kaustik beobachten: den Regenbogen. Gehen Sie gerne schwimmen? Die Lichtmuster am Boden eines Schwimmbeckens sind ebenfalls Kaustiken. Lassen Sie uns nun in die Wissenschaft der optischen Kaustik eintauchen.
Energietechnik: Behaglich Wohnen ohne Heizung: Berliner Demonstrationsobjekt zeigt Machbarkeit von Nullheizenergie‐Häusern
Authors: Drach V.
Published: February 2013

Auf die privaten Haushalte entfällt etwa ein Drittel der in Deutschland verbrauchten Endenergie, der Hauptanteil hiervon — etwa 80% — auf Heizenergie. In diesem Sektor steckt somit ein großes Potential zur Verringerung des Energiebedarfs. Dem von der Bundesregierung gesetzten Ziel einer 25% igen Reduktion des deutschen CO2‐Ausstoßes bis zum Jahr 2005 ließe sich deutlich näherkommen, wenn wir zur Beheizung unserer Wohnräume weniger Energie einsetzen müßten. Dies ist das Ziel verschiedener Demonstrationsobjekte, die in jüngster Zeit zeigen konnten, daß sich der Heizenergieverbrauch bewohnter Gebäude prinzipiell auf Null senken läßt. Ein neues Beispiel ist das vom Stuttgarter Fraunhofer‐Institut für Bauphysik (IBP) konzipierte, in Berlin‐Spandau erbaute und kürzlich eingeweihte Nullheizenergiehaus. Es soll beweisen, daß in konventioneller Bauweise ein Haus erstellt werden kann, das hohen Wohnkomfort ohne den Einsatz fossiler Brennstoffe zu Heizzwecken bietet.
Niederenergetische spinpolarisierte Myonen als Sonden für Dünnschichtsysteme
Authors: Morenzoni E. , Niedermayer Ch.
Published: February 2013

Myonen entstehen beim Pionenzerfall mit einer kinetischen Energie von einigen MeV. Am Paul‐Scherrer‐Institut ist es mit einer neuen Moderationstechnik gelungen, diese vollständig spinpolarisierten Myonen auf eine Energie von 10 eV abzubremsen und daraus einen Strahl von niederenergetischen Myonen mit einstellbaren Energien bis 30 keV aufzubauen. Damit lassen sich diese Myonen — mittels der Myonen‐Spin‐Rotationsmethode — erstmals auch für Dünnfilmproben als magnetische Mikrosonde einsetzen.
Astrophysik: ROSAT und seine Nachfolger: Der Forschungssatellit ROSAT hat die Röntgenastronomie revolutioniert
Authors: Trümper Joachim
Published: February 2013

Mit mehr als acht Jahren, die zwischen dem “First Light” am 16./17. Juni 1990 und der letzten Beobachtung am 18. Dezember 1998 lagen, hat der Röntgensatellit ROSAT einen Langzeitrekord für Astronomiesatelliten in einer erdnahen Umlaufbahn aufgestellt. In dieser Zeit wurden nicht nur viele Entdeckungen gemacht. ROSAT hat auch den Röntgenhimmel einer sehr großen wissenschaftlichen Gemeinde erschlossen und den Weg bereitet für seine Nachfolger ABRIXAS, Chandra, XMM und Astro‐E.
A conserved threonine spring‐loads precursor for intein splicing
Authors: Dearden Albert K. , Callahan Brian , Roey Patrick Van , Li Zhong , Kumar Utsav , Belfort Marlene , Nayak Saroj K.
Published: February 2013

Protein splicing is an autocatalytic process where an “intein” self‐cleaves from a precursor and ligates the flanking N‐ and C‐“extein” polypeptides. Inteins occur in all domains of life and have myriad uses in biotechnology. Although the reaction steps of protein splicing are known, mechanistic details remain incomplete, particularly the initial peptide rearrangement at the N‐terminal extein/intein junction. Recently, we proposed that this transformation, an N‐S acyl shift, is accelerated by a localized conformational strain, between the intein's catalytic cysteine (Cys1) and the neighboring glycine (Gly‐1) in the N‐extein. That proposal was based on the crystal structure of a catalytically competent trapped precursor. Here, we define the structural origins and mechanistic relevance of the conformational strain using a combination of quantum mechanical simulations, mutational analysis, and X‐ray crystallography. Our results implicate a conserved, but largely unstudied, threonine residue of the Ssp DnaE intein (Thr69) as the mediator of conformational strain through hydrogen bonding. Further, the strain imposed by this residue is shown to position the splice junction in a manner that enhances the rate of the N‐S acyl shift substantially. Taken together, our results not only provide fundamental understanding of the control of the first step of protein splicing but also have important implications in various biotechnological applications that require precursor manipulation.
Accuracy of GPS total electron content: GPS receiver bias temperature dependence
Authors: Coster A. , Williams J. , Weatherwax A. , Rideout W. , Herne D.
Published: February 2013

Having an accurate method to estimate and remove ionospheric effects is a major issue for low‐frequency radio astronomy arrays, as the ionosphere is one of their largest error terms. One way to estimate the ionosphere is to measure total electron content (TEC) using dual frequency global positioning system (GPS) signals. This technique uses the dispersive nature of the ionosphere, as both group and phase velocities are (to first order) dependent on the inverse square of the frequency and on TEC. Using these properties, TEC can be measured to a high degree of accuracy by computing the delay difference between signals at GPS's two frequencies (L1 = 1575.42 and L2 = 1227.6 MHz). Unfortunately, effects other than ionospheric dispersion also introduce differential delay differences. These additional differences, called biases, can be separated into those introduced by the satellite and those by the receiver. Receiver biases show the most significant variations, sometimes over intervals of hours. Changing temperature conditions at the receiver antenna, along the cable, or in the internal receiver hardware are thought to be responsible for some of these variations. We report here on an investigation of the temperature dependence of the GPS receiver bias. Our results show that for our particular receiver, antenna, and cable set‐up, a temperature‐dependent bias is clearly evident, and that this temperature dependence varies from receiver to receiver. When the receiver bias temperature dependence is removed, a noise level of 1–3 TEC units still remains in the bias estimation.
A correction model of dispersive troposphere delays for the ACES microwave link
Authors: Hobiger T. , Piester D. , Baron P.
Published: February 2013

The Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) will be a future ESA experiment which utilizes ultra‐stable clocks on‐board the International Space Station (ISS). This mission is expected to perform tests of fundamental physics (relativity, possible drift of fundamental constants with time) and at the same time allows to compare the ACES time reference with respect to ground stations by using a novel microwave link concept. However, uncorrected dispersive troposphere delays pose the risk of degrading the performance of this microwave link over longer integration periods. Thus, a semi‐empirical correction model has been developed which is only based on input from meteorologic sensors at the ground stations. The proposed model has been tested with simulated ISS overflights at different potential ACES ground station sites, and it could be demonstrated that this model is capable to remove biases and elevation dependent features caused by the dispersive troposphere delay difference between the uplink and downlink. The model performs well at all sites by reducing the impact on all reasonable averaging time scales by at least 1 order of magnitude. Similar studies like this might be of importance for other time and frequency transfer instruments or future space geodetic instruments.
Negotiating Uneven Terrain with a Compliant Designed Unmanned Ground Vehicle Equipped with Locomotive Master‐Slave Operation
Authors: Fukuoka Yasuhiro , Hoshi Katsuyuki , Kurosawa Ryosuke
Published: February 2013

In recent years, a number operational unmanned ground vehicles (UGVs) have been developed that can negotiate irregular terrain. They have a number of degrees‐of‐freedom (DOF) giving them enhanced mobility, e.g., the ability to climb stairs and over obstacles. However, operating them remotely is complicated because their controllers are similar to conventional control pads or joysticks used in computer games or toys. It is hard for the operator to achieve an intuitive and natural feel, thus mistakes are common. To intuitively control the locomotion of a UGV with many DOFs, a master‐slave operation was implemented. A novel UGV called Kurogane, which consists of a typical crawler combined with a human‐like torso section, was developed. The torso section is controlled via a wearable controller interface. In addition, the UGV is equipped with models of muscle viscoelasticity and stretch reflex, called the involuntary autonomous adaptation system, inspired by the adaptive compliance of animals. The proposed system can autonomously and flexibly react and adapt to irregular terrain in real time. Therefore, the operation of Kurogane is simple and does not require great skill or precision. Experimental results show that it performs well over a fixed step, stairs, and rough outdoor terrain. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.
Analysis of dentin/enamel remineralization by a CPP‐ACP paste: AFM and SEM study
Authors: Poggio Claudio , Lombardini Marco , Vigorelli Paolo , Ceci Matteo
Published: February 2013

The aim of the present in vitro study was the evaluation of a CPP‐ACP paste on preventing dentin/enamel erosion produced by a soft drink; Atomic Force Microscopy and Scanning Electron Microscopy were used. Eighty extracted human incisors free of caries were selected and divided into four groups (each divided in two subgroups); group 1a: intact dentin; group 1b: dentin + soft drink; group 2a: intact dentin + CCP‐ACP paste; group 2b: dentin + soft drink + CCP‐ACP paste; group 3a: intact enamel; group 3b: enamel + soft drink; group 4a: intact enamel + CCP‐ACP paste; group 4b: enamel + soft drink + CCP‐ACP paste. The CPP‐ACP paste was applied for 3 min at 0, 8, 24, and 36 h. The surface of each dentin/enamel specimen was imaged by AFM (Rrms values were registered) and SEM. A statistical significant difference was recorded between groups 1b (dentin + soft drink) and 2b (dentin + soft drink + CCP‐ACP paste) and between groups 3b (enamel + soft drink) and 4b (enamel + soft drink + CCP‐ACP paste), suggesting that treatment of the specimens with the CPP‐ACP paste had a protective effect on enamel demineralization, which was more evident for enamel specimens. Under the limitations of the present in vitro study, it can be concluded that the application of a CPP‐ACP paste is effective on preventing dentin/enamel erosion produced by a soft drink. SCANNING 35:366–374, 2013. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. SCANNING 35:???–???, 2013. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.
Silver Nanoparticle Exposure Attenuates the Viability of Rat Cerebellum Granule Cells through Apoptosis Coupled to Oxidative Stress
Authors: Yin Nuoya , Liu Qian , Liu Jiyan , He Bin , Cui Lin , Li Zhuona , Yun Zhaojun , Qu Guangbo , Liu Sijin , Zhou Qunfang , Jiang Guibin
Published: February 2013

The impact of silver nanoparticles (AgNPs) on the central nervous system is a topic with mounting interest and concern and the facts remain elusive. In the current study, the neurotoxicity of commercial AgNPs to rat cerebellum granule cells (CGCs) and the corresponding molecular mechanism are closely investigated. It is demonstrated that AgNPs induce significant cellular toxicity to CGCs in a dose‐dependent manner without damaging the cell membrane. Flow cytometry analysis with the Annexin V/propidium iodide (PI) staining indicates that the apoptotic proportion of CGCs upon treatment with AgNPs is greatly increased compared to the negative control. Moreover, the activity of caspase‐3 is largely elevated in AgNP‐treated cells compared to the negative control. AgNPs are demonstrated to induce oxidative stress, reflected by the massive generation of reactive oxygen species (ROS), the depletion of antioxidant glutathione (GSH), and the increase of intracellular calcium. Histological examination suggests that AgNPs provoke destruction of the cerebellum granular layer in rats with concomitant activation of caspase‐3, in parallel to the neurotoxicity of AgNPs observed in vitro. Taken together, it is demonstrated for the first time that AgNPs substantially impair the survival of primary neuronal cells through apoptosis coupled to oxidative stress, depending on the caspase activation‐mediated signaling.
Hydrothermal Synthesis, Crystal Structure, and Luminescent Properties of Two Zinc(II) and Cadmium(II) 3D Metal‐­Organic Frameworks
Authors: Zhang Cheng‐Yan , Wang Ming‐Yan , Li Qiu‐Tong , Qian Bao‐Hua , Yang Xu‐Jie , Xu Xing‐You
Published: February 2013

Two zinc(II) and cadmium(II) metal‐organic frameworks with mixed ligands, {[Zn2(biim‐4)2(TDC)2]·2.5H2O}n (1) and {[Cd2(biim‐4)2(TDC)2·2H2O]}n (2) [biim‐4 = 1,1′‐(1,4‐butanediyl)bis(imidazole); H2TDC = thiophene‐2,5‐dicarboxylic acid], were hydrothermally synthesized. Both of them are characterized by elemental analysis, IR spectroscopy, and single crystal X‐ray diffraction. In 1, the four‐connected ZnII nodes are connected by four linear ligands extending into a 3D network, which further integrates a fivefold interpenetrating diamond 3D topological network and the free water molecules distribute in void space, whereas in 2, the CdII ions are in a distorted octahedral arrangement linked by TDC2– and biim‐4 ligands to construct a 3D framework. In topology analysis, C11 and C14 are simplified as 3‐connected nodes and the 3D framework displays a (3,5)‐connected net. Furthermore, the thermal and photoluminescent properties of 1 and 2 were also studied.
Parametric and Nonparametric Analysis of Life Courses: An Application to Family Formation Patterns
Authors: Bonetti Marco , Piccarreta Raffaella , Salford Gaia
Published: February 2013

We discuss a unified approach to the description and explanation of life course patterns represented as sequences of states observed in discrete time. In particular, we study life course data collected as part of the Dutch Fertility and Family Surveys (FFS) to learn about the family formation behavior of 1,897 women born between 1953 and 1962. Retrospective monthly data were available on each 18- to 30-year-old woman living either with or without children as single, married, or cohabiting. We first study via a nonparametric approach which factors explain the pairwise dissimilarities observed between life courses. Permutation distribution inference allows for the study of the statistical significance of the effect of a set of covariates of interest. We then develop a parametric model for the sequence-generating process that can be used to describe state transitions and durations conditional on covariates and conditional on having observed an initial segment of the trajectory. Fitting ofthe proposed model and the corresponding model selection process are based on the observed data likelihood. We discuss the application of the methods to the FFS.
Regulated unfolding of proteins in signaling
Authors: Mitrea Diana M. , Kriwacki Richard W.
Published: February 2013

The transduction of biological signals often involves structural rearrangements of proteins in response to input signals, which leads to functional outputs. This review discusses the role of regulated partial and complete protein unfolding as a mechanism of controlling protein function and the prevalence of this regulatory mechanism in signal transduction pathways. The principles of regulated unfolding, the stimuli that trigger unfolding, and the coupling of unfolding with other well characterized regulatory mechanism are discussed.
Mouse models for lung cancer
Authors: Kwon Min-chul , Berns Anton
Published: February 2013

Lung cancer is a devastating disease and a major therapeutic burden with poor survival rates. It is responsible for 30% of all cancer deaths. Lung cancer is strongly associated with smoking, although some subtypes are also seen in non‐smokers. Tumors in the latter group are mostly adenocarcinomas with many carrying mutations in the epidermal growth factor receptor (EGFR). Survival statistics of lung cancer are grim because of its late detection and frequent local and distal metastases. Although DNA sequence information from tumors has revealed a number of frequently occurring mutations, affecting well‐known tumor suppressor genes and proto‐oncogenes, many of the driver mutations remain ill defined. This is likely due to the involvement of numerous rather infrequently occurring driver mutations that are difficult to distinguish from the very large number of passenger mutations detected in smoking‐related lung cancers. Therefore, experimental model systems are indispensable to validate putative driver lesions and to gain insight into their mechanisms of action. Whereas a large fraction of these analyzes can be performed in cell cultures in vitro, in many cases the consequences of the mutations have to be assessed in the context of an intact organism, as this is the context in which the Mendelian selection process of the tumorigenic process took place and the advantages of particular mutations become apparent. Current mouse models for cancer are very suitable for this as they permit mimicking many of the salient features of human tumors. The capacity to swiftly re‐engineer complex sets of lesions found in human tumors in mice enables us to assess the contribution of defined combinations of lesions to distinct tumor characteristics such as metastatic behavior and response to therapy. In this review we will describe mouse models of lung cancer and how they are used to better understand the disease and how they are exploited to develop better intervention strategies.
In Manually-Assisted Search, Perception Supervises Rather Than Directs Action
Authors: Solman Grayden J. F. , Wu Nicholas , Cheyne J. Allan , Smilek Daniel
Published: February 2013

During manually-assisted search, where participants must actively manipulate search items, it has been reported that participants will often select and move the target of search itself without recognizing it (Solman et al., 2012a). In two experiments we explore the hypothesis that this error results from a naturally-arising strategy that decouples perception and action during search, enabling motor interactions with items to outpace the speed of perceptual analysis. In Experiment 1, we report that the error is prevalent for both mouse and touch-screen interaction modes, and is uninfluenced by speeding or slowing instructions – ruling out these task-specific details as causes of the error. In Experiment 2 we manipulate motor speed, and show that reducing the speed of individual movements during search leads to a reduction in error rates. These findings support the conclusion that the error results from incoordination between motor and perceptual processes, with motor processes outpacing perceptual abilities.
Magnetic Resonance Imaging Reveals Therapeutic Effects of Interferon-Beta on Cytokine-Induced Reactivation of Rat Model of Multiple Sclerosis
Authors: Serres Sébastien , Bristow Claire , de Pablos Rocío M , Merkler Doron , Soto Manuel Sarmiento , Sibson Nicola R , Anthony Daniel C
Published: February 2013

Interferon- β (IFN- β) drugs are considered to derive their beneficial effects on multiple sclerosis (MS) progression via their antiinflammatory properties, but the precise mechanism of action remains unclear. Here, we sought to discover how IFN- β impacts on inflammation-associated aggravation of MS-like lesions in rat. Animals with dormant focal experimental allergic encephalomyelitis (EAE) lesions were challenged intravenously with a replication-deficient adenovirus vector carrying interleukin (IL)-1 β cDNA (AdIL-1 β). Aggravation of inflammation and demyelination within the focal EAE lesion was observed after AdIL-1 β injection with associated changes in tissue structure detected by diffusion and magnetization transfer imaging. Postgadolinium-DTPA T1-weighted images revealed contrast enhancement in the ipsilateral meninges, indicating breakdown of the blood–cerebrospinal fluid barrier, and increased left/right regional cerebral blood volume ratio was also observed after AdIL-1 β injection. To determine the role of IFN- β on reactivation of the EAE lesion, rats were treated with therapeutic doses of IFN- β and focal EAE lesions showed significantly reduced reactivation in response to systemic AdIL-1 β injection. In conclusion, these findings indicate a central role for peripheral IL-1 β expression in the mechanism of MS lesion reactivation and that the therapeutic effects of IFN- β may, at least in part, reflect suppression of the effects of peripheral inflammation on MS lesion pathogenesis.
Thermoelectric properties of p-type (Bi2Te3)x(Sb2Te3)1−x single crystals doped with 3 wt. % Te
Authors: Ceyda Yelgel Ö. , Srivastava G. P.
Published: February 2013

In the present work, thermoelectric properties of p-type (Bi2Te3)x (Sb2Te3)1−x single crystals doped with 3 wt. % Te are theoretically explored for various chemical compositions (x = 0.18, 0.19, 0.20, 0.22, 0.24, 0.26) in the temperature range of 290–500 K. The influence of the chemical composition in enhancing the thermoelectric figure of merit (ZT) is discussed in detail. Using the nearly-free electron approximation and the Fermi-Dirac statistics, the temperature dependences of Fermi level (Ef), Seebeck coefficient (S), and electrical conductivity (σ) are successfully reproduced as reported in the experimental study of Li et al. [Intermetallics 19, 2002 (2011)]. The thermal conductivity contributions from phonons (κph), acceptor holes (κh), and electron-hole pairs (κbp) are included by employing Srivastava's scheme, Wiedemann-Franz law, and Price's theory, respectively. By combining all three contributions of the thermal conductivity we successfully explain the experimental measurements of the total thermal conductivity as reported by Li et al. Furthermore, it is theoretically found that among all the compositions the p-type 20%(Bi2Te3)-80%(Sb2Te3) sample has the maximum ZT value of 1.31 at 390 K, which is also in good agreement with the experimental results obtained by Li et al.
Observation of circular dichroism in (001)-oriented P-I-N InGaAs/GaAs quantum wells without magnetic field
Authors: Yu J. L. , Chen Y. H. , Liu Y. , Jiang C. Y. , Ma H. , Zhu L. P. , Qin X. D.
Published: February 2013

The (001)-oriented P-I-N InGaAs/GaAs quantum wells (QWs) are studied by means of helicity dependent spin photocurrent. We have observed an unexpected circular dichroism effect along [001] direction in the QWs without an applied magnetic field. The circular polarization rate can be linearly tuned by the applied DC current flowing along [001] direction, and its value is enhanced more than one order in an InGaAs/GaAs vertical-cavity surface-emitting laser with distributed Bragg reflectors than that in a common InGaAs/GaAs QWs. This experiment indicates a type of spin-splitting in (001)-grown P-I-N InGaAs/GaAs quantum wells induced by space inversion asymmetry introduced by residual strain which is previously overlooked.
Real-time observation of electrical vortex core switching
Authors: Nakano Kunihiro , Tanabe Kenji , Hiramatsu Ryo , Chiba Daichi , Ohshima Norikazu , Kasai Shinya , Sato Tomonori , Nakatani Yoshinobu , Sekiguchi Koji , Kobayashi Kensuke , Ono Teruo
Published: February 2013

A single vortex-core switching induced by current injection into a ferromagnetic disk is detected in real time using a three-terminal device with the tunneling magnetoresistance junction. The real time observation reveals that the electrical core switching is completed within a few 100 ps. It is also found that the core switching takes place at the specific positions inside the disk.
Comparison of CsBr and KBr covered Cu photocathodes: Effects of laser irradiation and work function changes
Authors: He Weidong , Vilayurganapathy Subramanian , Joly Alan G. , Droubay Tim C. , Chambers Scott A. , Maldonado Juan R. , Hess Wayne P.
Published: February 2013

Thin films of CsBr and KBr were deposited on Cu(100) to investigate photoemission properties of these potential photocathode materials. After prolonged laser ultraviolet irradiation photoemission, quantum efficiency increases by factors of 26 and 77 for KBr/Cu(100) and CsBr/Cu(100) photocathodes, respectively. Immediately following thin film deposition, a decrease in work function is observed, compared to bare Cu, in both cases. Quantum efficiency enhancements are attributed to the decrease in photocathode work function, and photo-induced processes that introduce defect states into the alkali halide bandgap. Our results suggest that KBr, a relatively stable alkali-halide, also has potential for photocathode applications.
Impact of substrate temperature on the structural and optical properties of strain-balanced InAs/InAsSb type-II superlattices grown by molecular beam epitaxy
Authors: Liu Shi , Li Hua , Cellek Oray O. , Ding Ding , Shen Xiao-Meng , Lin Zhi-Yuan , Steenbergen Elizabeth H. , Fan Jin , He Zhao-Yu , Lu Jing , Johnson Shane R. , Smith David J. , Zhang Yong-Hang
Published: February 2013

Molecular beam epitaxial growth of strain-balanced InAs/InAs1−xSbx type-II superlattices on GaSb substrates has been investigated for substrate temperatures from 400 °C to 450 °C. The Sb composition is found to vary linearly with substrate temperature at constant V/III ratios. For samples grown at the optimized substrate temperature (410 °C), superlattice zero-order peak full-width at half-maximums are routinely less than 25 arc sec using high-resolution X-ray diffraction. Cross-sectional transmission electron microscopy images show the absence of any visible defects. Strong photoluminescence covers a wavelength range from 5.5 to 13 μm at 12 K. Photoluminescence linewidth simulations show satisfactory agreement with experiments.