bluuebunny/crossref_metadata_2025 huggingface dataset:
Self-Heating Effects and Analog Performance Optimization of Fin-Type Field-Effect Transistors
Authors: Takahashi Tsunaki , Beppu Nobuyasu , Chen Kunro , Oda Shunri , Uchida Ken
Published: February 2013

The self-heating effects (SHEs) of bulk and silicon-on-insulator (SOI) fin-type field-effect transistors (FinFETs) and their impacts on circuit performance have been investigated on the basis of a realistic thermal conductivity of silicon. The heat dissipation via interconnect wires and interface thermal resistance in the high-κ gate stack were incorporated in simulations. It is shown that the depth of the shallow trench isolation (STI) of bulk FinFETs cannot be decreased to less than 100 nm owing to the increase in off-state leakage current. We observed that the thermal resistance R
th of SOI FinFETs greatly decreases upon thinning the buried oxide (BOX) layer. When the BOX thickness t
BOX is less than 50 nm, the R
th of SOI FinFETs is smaller than that of bulk FinFETs with an STI thickness of 100 nm, indicating a lower operation temperature of the thin-BOX SOI FinFETs than that of bulk FinFETs. The lower operation temperature of the 5-nm BOX SOI FinFET was confirmed under a practical bias condition for analog operations. In fin width, W
fin, versus R
th characteristics, a strong W
fin dependence of R
th was observed only in the bulk FinFETs, implying that fluctuations in W
fin result in the variability of the operation temperature of the bulk FinFETs. Analog performance has been analyzed by calculating the cutoff frequency f
T and the maximum oscillation frequency f
max. We demonstrated that both f
T and f
max can be maximized in SOI FinFETs by optimizing t
BOX with regard to electrical and thermal properties. Better analog performance, and hence the optimization of t
BOX, are indispensable for the device design of a FinFET-based system-on-a-chip (SoC) platform.
Proposal of Compact Tunable 1×2 Multimode Interference Splitter Based on Multiple Quantum Well
Authors: Kashima Shintaro , Noh Joo-Hyong , Arakawa Taro
Published: February 2013

We propose a compact tunable 1×2 multimode interference (MMI) splitter based on an InGaAs/InAlAs multiple quantum well for an active trimmer for Mach–Zehnder modulator with a very high extinction ratio. The light power splitting characteristics of the splitter are theoretically investigated by a beam propagation method and a three dimensional finite-difference time-domain method. It is assumed that the core layer is composed of a multiple five-layer asymmetric coupled quantum well (FACQW) that is expected to exhibit a large electrorefractive index change owing to its unique quantum confined Stark effect. By applying reverse voltages and changing slightly the refractive indices of the localized regions surrounded by trenches for electrical isolation, the power splitting ratio can be tuned over a wide range. The length and width of the proposed MMI with four refractive index modulation regions are 192 and 6 µm, respectively. The length can be reduced to 115 µm if the number of index modulation regions is reduced to two, though the tuning range of the splitting ratio is narrowed. The simulation results show that the proposed compact MMI splitter has a low insertion loss and a low power consumption, and is promising for Mach–Zehnder modulators with a very high extinction ratio.
Epitaxial Trilayer Graphene Mechanical Resonators Obtained by Electrochemical Etching Combined with Hydrogen Intercalation
Authors: Takamura Makoto , Furukawa Kazuaki , Okamoto Hajime , Tanabe Shinichi , Yamaguchi Hiroshi , Hibino Hiroki
Published: February 2013

We report on the mechanical resonance properties of trilayer graphene resonators created by controlling of the layer number. We epitaxially create bilayer graphene and an interfacial buffer layer on a SiC substrate. Using hydrogen intercalation combined with electrochemical etching, we break the Si–C bonds between the buffer layer and SiC substrate surface so that the bilayer graphene and buffer layer turn into three graphene layers. The successful creation of the trilayer graphene resonators is directly observed with a transmission electron microscope. By investigating the frequency shift induced by the laser irradiation, we estimate the thermal expansion coefficient. We find that a quality factor shows a typical temperature dependence of monolayer graphene and carbon-nanotube resonators with a doubly-clamped beam structure. This implies that there exists a general energy loss mechanism for both nanotubes and few-layer-graphene doubly clamped resonators.
Increase of Si0.5Ge0.5 Bulk Single Crystal Size as Substrates for Strained Ge Epitaxial Layers
Authors: Kinoshita Kyoichi , Nakatsuka Osamu , Arai Yasutomo , Taguchi Keisuke , Tomioka Hiroshi , Tanaka Ryota , Yoda Shinichi
Published: February 2013

Compositionally uniform 2 and 10 mm diameter Si0.5Ge0.5 bulk crystals have been grown by the traveling liquidus-zone (TLZ) method. The TLZ method requires diffusion controlled mass transport in a melt and crystal size was limited for suppressing convection in a melt. For substrate use, however, larger diameter crystals are required. Increase of crystal diameter was challenged in spite of the concern that compositional homogeneity of grown crystals might be degraded due to faster convective flow in a larger diameter melt. As a result, however, increase of crystal diameter was possible up to 30 mm although single crystal length was limited to 5 mm. Si0.55Ge0.45 and Si0.6Ge0.4 bulk crystals with 30 mm diameter showed excellent compositional homogeneity and high crystallinity without mosaicity.
Indium-Rich InGaP Nanowires Formed on InP (111)A Substrates by Selective-Area Metal Organic Vapor Phase Epitaxy
Authors: Ishizaka Fumiya , Ikejiri Keitaro , Tomioka Katsuhiro , Fukui Takashi
Published: February 2013

We studied the growth of indium-rich InGaP nanowires (NWs) on InP (111)A substrates by selective-area metal organic vapor phase epitaxy (SA-MOVPE). We obtained vertically aligned InGaP NWs by optimizing growth conditions, such as group III supply ratio and V/III ratio. We found that the height, diameter, shape, and composition of InGaP NWs depended significantly on the supply ratios of trimethylgallium (TMGa) and trimethylindium (TMIn). As the supply ratio of TMGa was increased, the lateral growth was drastically enhanced, and the uniformity of NWs deteriorated. Furthermore, the sidewall facets of NWs changed from {211} to {110} as the supply ratio of TMGa was increased, indicating the possibility of structural transition from wurtzite (WZ) to zinc blende (ZB). We propose a possible growth model for such lateral growth, uniformity, and structural transition. Photoluminescence (PL) measurements revealed that the Ga compositions ranged approximately from 0 to 15%. Our results show that highly uniform InGaP NWs can be grown by controlling the growth conditions.
Dual Function of Single Electron Transistor Coupled with Double Quantum Dot: Gating and Charge Sensing
Authors: Kambara Tomohiro , Kodera Tetsuo , Arakawa Yasuhiko , Oda Shunri
Published: February 2013

We demonstrate gating and charge sensing functions of a lithographically defined single electron transistor (SET). The electrochemical potential of the SET is modulated by applying a voltage to both the source and drain electrodes. The SET integrated with a double quantum dot (DQD) works as a gate electrode for the DQD. Charge transitions in the DQD are detected by the SET through its charge sensing function. This dual function of the SET is useful for saving space in crowded devices with many gates and charge sensors, toward the integration of multiqubits for quantum computation.
Strong Rashba Spin–Orbit Interaction Intensity in Low-Potential-Barrier Quantum Dots
Authors: Huang Shiu-Ming , Badrutdinov Alexander Olegovich , Kono Kimitoshi , Ono Keiji
Published: February 2013

We study the spin splitting energies of different orbital states of quantum dots with a low-potential barrier. The experimental results show that the splitting energies are orbital state dependent. The theoretical analysis is done with a generalization of the Fock–Darwin states in the presence of spin–orbit interactions. The theoretical predictions match well with the experimental observations and exhibits that the Rashba interaction strength in vertical In0.05Ga0.95As/GaAs quantum dots is in the range 80≤λR≤120 meV Å. This enhanced Rashba spin–orbit interaction intensity can be understood from the high penetration of the electron wavefunction into the quantum well with a low-potential barrier.
First-Principles Study of Diffusion of Cu and In Atoms in CuInSe2
Authors: Nakamura Satoshi , Maeda Tsuyoshi , Wada Takahiro
Published: February 2013

Cu and In diffusion in Cu-poor CuInSe2 (CIS) with a Cu vacancy have been investigated by first-principles calculations with the generalized gradient approximation. The activation energies and migration pathways are obtained by means of the combination of linear and quadratic synchronous transit (LST/QST) methods and nudged elastic band (NEB) method. The activation energy of Cu migration was 1.06 eV, which is 0.44 eV lower than that of the moving Cu atom located at the center of octahedral site and 0.17 eV lower than that of the moving Cu atom located at center of tetrahedral site. In the transition state, the moving Cu atom is located at the point between the center of the octahedral site and Se atom, which is saddle point of electrostatic potential. The activation energy of In migration (1.70 eV) is much higher than that of Cu migration. The In atom at Cu site (InCu) in Cu-poor CIS is scarcely to occur at room temperature.
Voluntary program to reduce soot
Authors: Showstack Randy
Published: February 2013

The U.S. Environmental Protection Agency (EPA) announced on 17 January that it has formulated a voluntary clean air program, Particulate Matter (PM) Advance, to help communities develop strategies to reduce fine‐particle emissions, often called soot or particulate matter, that can be harmful to human health.
A New Era in Mineral Physics
Authors: Wang Yanbin , Tyburczy James A.
Published: February 2013

Last year marked the 60th anniversary of Francis Birch's landmark paper (F. Birch, Journal of Geophysical Research, 57, 227–286, 1952), widely considered the article that heralded the birth of mineral physics, the science of materials composing the interior of planets, particularly the Earth. It was also the 36th anniversary of the first International High Pressure Mineral Physics Seminar (HPMPS; formerly named the US‐Japan Seminar) and the 10th anniversary of the Consortium for Materials Properties Research in Earth Sciences (COMPRES). In July 2012, HPMPS‐8 was held jointly with the COMPRES Annual Meeting. Some 182 attendees from 11 countries participated, the largest number in the histories of both meetings. The presentations (abstracts and information at http://www.compres.us/) highlighted significant advances in high‐pressure science and experimental techniques and set the tone for a more concerted commitment to mineral physics in the years to come.
Debating how to assess hydrological model uncertainty and weaknesses
Authors: Schultz Colin
Published: February 2013

The projections of hydrological models, as numerical abstractions of the complex systems they seek to represent, suffer from epistemic uncertainty due to approximation errors in the model, incomplete knowledge of the system, and, in more extreme cases, flawed underlying theories or faulty data. These errors can result in complex nonstationary biases in model predictions. Improving hydrological models—whether they be dynamic models attempting to represent the physical system from first principles or statistical, data‐driven models—depends on having a way to determine the amount of uncertainty associated with the model's projections and a reliable way to deduce which model components or forcing data are responsible for it.
Global ocean salinity changing due to anthropogenic climate change
Authors: Schultz Colin
Published: February 2013

Rising sea surface temperatures, climbing sea levels, and ocean acidification are the most commonly discussed consequences of anthropogenic climate change for the global oceans. They are not, however, the only potentially important shifts observed over recent decades. Drawing on observations from 1955 to 2004, Pierce et al. found that the oceans’ salinity changed throughout the study period, that the changes were independent of known natural variability, and that the shifts were consistent with the expected effects of anthropogenic climate change.
Statistical framework for assessing uncertainty in hydrological models
Authors: Schultz Colin
Published: February 2013

For regional managers trying to make long‐term investments in hydrological infrastructure, having a reliable forecast of how their watershed may evolve in a changing climate is a significant boon. To make a projection of the regional effects of climate change, researchers often use the calculations of a global general circulation model to determine a set of initial conditions—for either historical or future climes—which can then be used to run a regional hydrological model. Using this approach, uncertainty can arise from a number of sources, including from the difficulties of projecting climate change, from errors within either the general circulation model or the hydrological model, from uncertainty surrounding modeled parameterizations, or from data sampling errors.
Portals for Undergraduate Research in Geology Curricula
Authors: Wulff Andrew H.
Published: February 2013

Research at the undergraduate level should be encouraged—engagement of undergraduates in research early in their academic careers builds an environment of investigation in the department that attracts majors and promotes peer mentoring of research practices [see Judge et al., 2012].
New Science for Solutions Award: A Call for Nominations
Authors: Fine Rana , McKenzie Judith Ann
Published: February 2013

AGU announces a call for nominations for the first Science for Solutions Award, sponsored by Peter Schlosser, past president of AGU's Ocean Sciences section. This newly created Union award will honor a student or postdoctoral scientist who uses his or her skills and knowledge in the Earth and space sciences to create solutions to societal problems of significant importance.
Ionospheric vortices could explain Saturn's anomalous magnetic field
Authors: Schultz Colin
Published: February 2013

Thought to be produced by convection deep within the planet's interior, Saturn's magnetic field stands out among those of the solar system's gas giants in that it has a relatively simple structure and that it is nearly perfectly symmetrical about the planet's rotation axis. However, researchers have noticed some recurring anomalies: periodic changes in plasma density, magnetic field, energetic particle populations, emitted radiation, plasma sheet properties, and others. Analyzing these periodic shifts more closely, researchers noticed that the recurrence interval of the anomalies was different for the planet's northern and southern hemispheres. Further, they noted that the period of the variations themselves can change with time, at a rate of roughly 1% per year.
Photochemistry complicates attribution of volatile organics
Authors: Balcerak Ernie
Published: February 2013

Understanding the sources of air pollution is important in mitigation efforts. Commonly used models known as receptor models often do not take into account chemical reactions that may occur between the source of the emission and the site where measurements are taken. To determine to what extent photochemical reactions in the atmosphere may be affecting source attribution of volatile organic compounds (VOCs), Yuan et al. measured VOCs at an urban site in Beijing in August–September 2010 and identified emission sources.
Nominations open for presidential science awards
Authors: Showstack Randy
Published: February 2013

Nominations are now being accepted for two presidential science award programs. For the Presidential Awards for Excellence in Science, Mathematics, and Engineering Mentoring, nominations are being accepted until 5 June 2013. The award, which was established by the White House in 1995, recognizes U.S. citizens or permanent residents and U.S. organizations that have demonstrated excellence in mentoring individuals from groups that are underrepresented in science, technology, engineering, and mathematics (STEM) education and the workforce.
Formation and characterization of perfluorocyclobutyl polymer thin films
Authors: Zhou Jinxiang , Jin Jianyong , Haldeman Adam T. , Wagener Earl H. , Husson Scott M.
Published: February 2013

Perfluorocyclobutyl (PFCB) polymers are a new class of materials that show promise as selective layer materials in the development of composite membranes for gas separations, such as carbon dioxide/methane (αpure gas = 38.6) and oxygen/nitrogen (αpure gas = 4.8) separations. In many of the flat sheet applications, a thin film of the selective layer that is free of major defects must be coated onto a support membrane. A focus of this study was to elucidate the impacts of solvents, polymer concentration, and dip‐coating withdrawal speed on PFCB thin film thickness and uniformity. An extension was proposed to the Landau–Levich model to estimate the polymer film thickness. The results show that the extended model fits the thickness‐withdrawal speed data well above about 55 mm/min, but, at lower withdrawal speeds, the data deviated from the model. This deviation could be explained by the phenomenon of polymer surface excess. Static surface excesses of polymer solutions were estimated by applying the Gibbs adsorption equation using measured surface tension data. Prepared films were characterized by ellipsometry. Refractive index was found to increase with decreasing film thickness below about 50 nm, indicating densification of ultrathin films prepared from PFCB solutions below the overlap concentration. Atomic force microscopy was used to characterize surface morphologies. Films prepared from tetrahydrofuran and chloroform yielded uniform nanolayers. However, films prepared using acetone as solvent yielded a partial dewetting pattern, which could be explained by a surface depletion layer of pure solvent between the bulk PFCB/acetone solution and the substrate. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci., 2013
Electron Capture by the Thiyl Radical and Disulfide Bond: Ligand Effects on the Reduction Potential
Authors: Roos Goedele , De Proft Frank , Geerlings Paul
Published: February 2013

The effect of non‐polar and polar ligands and of monovalent cations on the one‐electron reduction potential of the thiyl radical and the disulfide bond was evaluated. The reduction potentials E° for the CH3S.–n L/CH3S−–n L and CH3SSCH3–L/CH3SSCH3.−–L redox couples were calculated at the B3LYP, M06‐2X and MP2 levels of theory, with n=1, 2 and L=CH4, C2H4, H2O, CH3OH, NH3, CH3COOH, CH3CONH2, NH4+, Na+, K+ and Li+. Non‐polar ligands decrease the E° value of the thiyl radical and disulfide bond, while neutral polar ligands favour electron uptake. Charged polar ligands and cations favour electron capture by the thiyl radical while disfavouring electron uptake by the disulfide bond. Thus, the same type of ligand can have a different effect on E° depending on the redox couple. Therefore, properties of an isolated ligand cannot uniquely determine E°. The ligand effects on E° are discussed in terms of the vertical electron affinity and reorganization energy, as well as molecular orbital theory. For a given redox couple, the ligand type influences the nature of the anion formed upon electron capture and the corresponding reorganization process towards the reduced geometry.
An Organocatalytic, δ‐Regioselective, Diastereoselective, and Enantioselective Nucleophilic Substitution of Cyclic Morita–Baylis–Hillman Alcohols with N‐Boc‐3‐benzyl‐2‐oxindoles
Authors: Qiao Zhen , Zhong Neng‐Jun , Zhang Tao , Liu Li , Wang Dong , Chen Yong‐Jun
Published: February 2013

A direct asymmetric substitution was developed for the reaction of cyclic Morita–Baylis–Hillman alcohols with 3‐benzyl‐2‐oxindoles that are catalyzed by a primary amine derived from alkaloids in combination with trifluoroacetic acid. The unusual δ‐products with vicinal chiral quaternary and tertiary carbon centers were obtained as the major products in yields up to 73 % with excellent diastereoselectivities (up to 99:1) and enantioselectivities (up to 98 % ee).
Arctic climate warming and sea ice declines lead to increased storm surge activity
Authors: Vermaire Jesse C. , Pisaric Michael F. J. , Thienpont Joshua R. , Courtney Mustaphi Colin J. , Kokelj Steven V. , Smol John P.
Published: February 2013

The combined effects of climate warming (i.e., increased storminess, reduced sea ice extent, and rising sea levels) make low‐lying Arctic coastal regions particularly susceptible to storm surges. The Mackenzie Delta, a biologically significant and resource‐rich region in northwestern Canada, is particularly vulnerable to flooding by storm surges. To properly manage the consequences of climate warming for Arctic residents, infrastructure, and ecosystems, a better understanding of the influence of climate change on storm surge activity is required. Here we use particle size analysis of lake sediment records to show that the occurrence and magnitude of storm surges in the outer Mackenzie Delta are significantly related to temperature and that the frequency and intensity of storm surges is increasing. Our results demonstrate the effects of changing climate on storm surge activity and provide a cautionary example of the threat of inundation to low‐lying Arctic coastal environments under future climate warming scenarios.
A FUNCTIONAL ANALYSIS OF CRYING
Authors: Bowman Lynn G. , Hardesty Samantha L. , Mendres‐Smith Amber E.
Published: February 2013

Crying has yet to be examined systematically in isolation from other problem behavior, such as aggression or tantrums, during functional analyses (Hanley, Iwata, & McCord, 2003). Identification of variables that may maintain crying is especially important for populations who are susceptible to psychiatric interventions (e.g., individuals who have intellectual disabilities and communication deficits). The current study extended functional analysis methodology to crying with an adolescent boy who had been diagnosed with intellectual disabilities. Results suggested that crying was maintained by caregiver attention delivered in a sympathetic manner.
Effectiveness of an Educational Intervention on Prescription Writing Skill of Preclerkship Medical Students in a Problem‐Based Learning Curriculum
Authors: Al Khaja Khalid A. J. , James Henry , Sequeira Reginald P.
Published: February 2013

Medical school training for students in pharmacotherapy is suboptimal and junior doctors are not confident to prescribe drugs. This study evaluated the effectiveness of an optional educational intervention on prescribing skill of pre‐clerkship medical students in a problem‐based learning (PBL) program. Performance was assessed in seven end‐unit objective structured practical examinations (OSPE). Physician‐related prescription components (PRCs) and drug‐related prescription components (DRCs) were assessed. The performance of students who attended the intervention sessions (attendees) and non‐attendees was compared. Approximately half of the students attended the sessions. PRCs were written appropriately by most of the students. DRCs were written less competently by both attendees and non‐attendees, specifically the dosage form, quantity to be dispensed and directions. Performance on individual DRCs was significantly better for attendees compared to non‐attendees. The mean total score for all prescription components of attendees was significantly greater than that of non‐attendees. The percentage of high achievers was significantly greater for attendees. A positive correlation was found between student attendance and the total score. An optional educational intervention during the preclerkship phase is an important determinant of prescribing performance of medical students.
Tracing the origin of Arctic driftwood
Authors: Hellmann Lena , Tegel Willy , Eggertsson Ólafur , Schweingruber Fritz Hans , Blanchette Robert , Kirdyanov Alexander , Gärtner Holger , Büntgen Ulf
Published: February 2013

Arctic environments, where surface temperatures increase and sea ice cover and permafrost depth decrease, are very sensitive to even slight climatic variations. Placing recent environmental change of the high‐northern latitudes in a long‐term context is, however, complicated by too short meteorological observations and too few proxy records. Driftwood may represent a unique cross‐disciplinary archive at the interface of marine and terrestrial processes. Here, we introduce 1445 driftwood remains from coastal East Greenland and Svalbard. Macroscopy and microscopy were applied for wood anatomical classification; a multi‐species subset was used for detecting fungi; and information on boreal vegetation patterns, circumpolar river systems, and ocean current dynamics was reviewed and evaluated. Four conifer (Pinus,Larix,Picea, andAbies) and three deciduous (Populus,Salix, andBetula) genera were differentiated. Species‐specific identification also separatedPinus sylvestrisandPinus sibirica, which account for ~40% of all driftwood and predominantly originate from western and central Siberia. Larch and spruce from Siberia or North America represents ~26% and ~18% of all materials, respectively. Fungal colonization caused different levels of driftwood staining and/or decay. Our results demonstrate the importance of combining wood anatomical knowledge with insight on boreal forest composition for successfully tracing the origin of Arctic driftwood. To ultimately reconstruct spatiotemporal variations in ocean currents, and to better quantify postglacial uplift rates, we recommend consideration of dendrochronologically dated material from many more circumpolar sites.
Microfinance Institutions in China: Development and Challenges to Their Sustainability
Authors: Britzelmaier Bernd , Kraus Patrick , Xu Yan
Published: February 2013

Microfinance is a hot topic in China, where the main actors are facing challenges.
Book Review: Dead Aid: Why Aid Is Not Working and There Is Another Way for Africa by Dambisa Moyo
Authors: Ashta Arvind
Published: February 2013

Dambisa Moyo, Dead Aid: Why Aid Is Not Working and There Is Another Way for Africa, Penguin Books, London, 2009, 188 pages.
Reliability of spike triggered averaging of the surface electromyogram for motor unit action potential estimation
Authors: Hu Xiaogang , Rymer William Z. , Suresh Nina L.
Published: February 2013

Introduction: The reliability of estimated motor unit parameters using spike triggered averaging (STA) of the surface electromyogram (sEMG) has not been tested thoroughly. We investigated factors that may induce amplitude bias in estimated motor unit action potentials (MUAPs) and shape variations. Methods: An sEMG record was simulated. MUAPs were then estimated from the STA of the simulated EMG. Results: Variations in MUAP duration led to under‐estimation of real MUAP amplitude, while synchronized firing led to over‐estimation of amplitude. Spurious firing resulted in over‐estimation of the amplitude of small motor units but under‐estimation of the amplitude of large ones. Variability in amplitude and high firing rates had minimal influence on amplitude estimation. High firing rates and variation in MUAP duration led to large variations in MUAP shape. Estimation errors also correlated with shape variations. Conclusions: Recommendations to enhance the accuracy of the STA estimates have been proposed. Muscle Nerve 48: 557–570, 2013
Ökologisches Manifest
Authors: Lorenz Konrad
Published: February 2013

Manifest der „Gruppe ökologie”︁ des MPI für Verhaltensphysiologie Seewiesen zur Umweltfrage.
Die intermediären Bosonen der schwachen Wechselwirkung — und was kommt dann?
Authors: Eggert K. , Radermacher E. , Hansl‐Kozanecka T. , Hoffmann H.
Published: February 2013

Unser Kosmos baut sich aus einigen wenigen kleinsten Bestandteilen, den Quarks und Leptonen, auf. Alle physikalischen Phänomene lassen sich auf vier Grundkräfte zwischen diesen vielleicht elementaren Teilchen zurückführen. Die Physiker sind bestrebt, eine übergreifende Theorie für die vier Grundkräfte zu formulieren und sie auf eine einzige Kraft zurückzuführen. Die Entdeckung der schweren intermediären Vektorbosonen, der Kraftquanten der schwachen Wechselwirkung, stellt einen Meilenstein auf dem Weg zu dieser Vereinheitlichung dar.
Die Diskretisierung der Maxwell‐Gleichungen: Ein allgemeines Verfahren zur Berechnung elektromagnetischer Felder und seine Anwendung in Physik und Technik
Authors: Weiland Thomas
Published: February 2013

Die Lösung der Maxwellschen Gleichungen bedeutet eine immer wiederkehrende Aufgabe bei der Konstruktion elektromagnetischer Apparaturen. Einerseits bereiten die komplizierten Strukturen realer Geräte oft unüberwindbare Schwierigkeiten, andererseits nimmt die Bedeutung einer genauen Vorhersage der elektromagnetischen Felder mit der Größe und dem Herstellungsaufwand der Geräte zu. Anlagen für die Hochenergiephysik beispielsweise haben Ausmaße erreicht, die nur noch den einmaligen Bau einer Apparatur erlauben. Mit Hilfe eines einzigen Lösungsansatzes ist es möglich, die Maxwell‐Gleichungen einzeln in entsprechende Matrixgleichungen umzuformen, die auf modernen Großrechnern gelöst werden können. Das Verfahren erlaubt es, beliebig geformte Körper mit beliebigen Materialeigenschaften zu behandeln; es ist in vielen Bereichen der Physik und Technik anwendbar. Die Bedeutung solcher Lösungsverfahren für die Entwicklung von Beschleunigern in der Hochenergiephysik wird an einigen Beispielen aufgezeigt.
Quantenoptik und Relativitätstheorie — vom Äquivalenzprinzip zum Gravitationswellennachweis
Authors: Leuchs G.
Published: February 2013

Seit den Untersuchungen von Michelson und Morley beruhten viele der Experimente und Beobachtungen zum Test der Relativitätstheorie auf Messungen mit elektromagnetischen Wellen. Nach der Entwicklung sehr monochromatischer und hochstabiler Systeme wie Maser und Laser wurden einige dieser Tests mit erhöhter Genauigkeit wiederholt, weitere rückten in den Bereich des Möglichen. Im folgenden soll ausgehend von klassischen Tests der Relativitätstheorie eine Auswahl neuerer, bereits durchgeführter oder noch in Planung befindlicher Experimente diskutiert werden, wobei der Schwerpunkt auf den Anwendungen moderner Lasermeßmethoden liegt.
Laserkühlung von Atomstrahlen — Atome im Mikrokelvin‐Bereich und darunter
Authors: Ertmer W.
Published: February 2013

Impulsüberträge durch Strahlungsprozesse spielten bereits in den grundlegenden, frühen Arbeiten von A. Einstein zur Quantentheorie der Strahlung eine zentrale Rolle. Er konnte zeigen, daß sich die Schwarzkörperstrahlung nicht nur im Energiegleichgewicht, sondern auch im Impulsausgleich mit den Maxwell‐verteilten Atomen befindet. Frühe experimentelle Untersuchungen dieser Strahlungsdruckkräfte, z. B. von O. R. Frisch 1933, waren sehr schwierig und auf kleinste Effekte beschränkt, da die damals vorhandenen Strahlungsquellen in ihrer spektralen Energiedichte sehr unzureichend waren. Diese Situation änderte sich grundlegend erst durch die Einführung des Lasers. Damit ist man heute in der Lage, freie Atome abzubremsen, zu beschleunigen und extrem zu kühlen – bis in den Sub‐Mikrokelvin‐Bereich.
Strukturen — Farben — Kräfte: Wanderjahre der Raster‐Tunnelmikroskopie
Authors: Fuchs H.
Published: February 2013

Vor gerade erst zehn Jahren begannen Gerd Binnig und Heinrich Rohrer am IBM‐Forschungslabor in Zürich, eine neue, hochauflösende Methode zur spektroskopischen Untersuchung dünner Oxidfilme zu entwickeln. Das Ergebnis ihrer unkonventionellen Vorgehensweise war das Raster‐Tunnelmikroskop (RTM) [1]. Es sollte sehr bald die ursprünglichen Erwartungen hinsichtlich seines lateralen Auflösungsvermögens in topographischen und energieselektiven Abbildungstechniken und vor allem hinsichtlich der Breite seiner Anwendungsmöglichkeiten weit übertreffen. Heute, nach drei internationalen Konferenzen seit 1986 und weit über eintausend Publikationen zum Thema Tunnelmikroskopie (vgl. [2]) zeigt sich, daß die Methode nicht nur eine sehr nützliche Erweiterung des „Geräte‐Zoos”︁ der Oberflächenphysiker darstellt, sondern im Begriff ist, auch in Chemie und Biologie neue Einsichten in atomare und molekulare Mechanismen zu vermitteln. Im kreativen und kooperativen Klima, das in der Gemeinde der Tunnelmikroskopiker herrscht, entstand inzwischen eine Reihe interessanter technischer Erweiterungen, und in den drei letzten Jahren entwickelten sich aus dem RTM sogar neue eigenständige Mikroskopieverfahren, wie die Kraftmikroskopie, die Thermoskopie und die optische und akustische Nahfeldmikroskopie. Über einige jüngere Ergebnisse und Weiterentwicklungen der Tunnelmikroskopie wird in diesem Artikel berichtet.
Untersuchung der Magnetfeldstruktur in Tokamak‐Plasmen
Authors: Soltwisch H.
Published: February 2013

Tokamak‐Experimente dienen der Erzeugung und dem magnetischen Einschluß heißer Wasserstoff‐Plasmen in einer ringförmigen Brennkammer und spielen eine wichtige Rolle in der fusionsorientierten Plasmaphysik. Die einschließenden Magnetfelder werden in diesen Geräten unter anderem durch induzierte Ströme innerhalb des Plasmas aufgebaut, deren räumliche Verteilung von außen jedoch kaum zu kontrollieren ist. Für das Jülicher Tokamak‐Experiment TEXTOR wurde deshalb ein optisches Verfahren zur Messung der internen Feldstruktur entwickelt, das auf dem Faraday‐Effekt an linear polarisierten Laserstrahlen beruht und mit dessen Hilfe eine Reihe theoretischer Vorstellungen über das magnetohydrodynamische Verhalten von Hochtemperatur‐Plasmen überprüft werden konnte.
Schwankungsbreite der Ortsdosisleistung durch natürliche Strahlung
Authors: Bonka H.
Published: February 2013

Unsere wissenschaftlichen Kenntnisse über die gesundheitlichen Auswirkungen ionisierender Strahlung im Bereich niedriger Dosen und Dosisleistungen sind noch sehr lückenhaft. Die Bewertung und Begrenzung von Strahlenexpositionen auf der Ebene der Wirkung ist deshalb sehr schwierig. Leichter gelingen sie auf der Ebene der Exposition, d. h. der Dosis. Hier sind Vergleiche mit Zahlenwerten und Schwankungsbreiten der natürlichen Strahlenexposition möglich. Während über die natürliche Strahlenexposition durch Radon in einem Aufsatz von W. Jacobi im Oktober‐Heft 1989 der Physikalischen Blätter berichtet wurde, beschäftigt sich der folgende Beitrag von H. Bonka mit den Komponenten terrestrische Strahlung und kosmische Strahlung. Die beschriebenen Messungen zeigen, daß das sog. 30‐mrem‐Konzept der Strahlenschutzverordnung, wonach ein Bürger durch ein bundesdeutsches Kernkraftwerk im Prinzip im schlimmsten Fall eine Jahresdosis von 30 mrem erhalten darf, voll und ganz mit der Schwankungsbreite der natürlichen Strahlungsexposition in der Bundesrepublik begründet werden kann. (Red.)
Der Röntgensatellit ROSAT
Authors: Trümper J.
Published: February 2013

Ende Mai 1990 soll der Röntgensatellit ROSAT (Abb. 1) mit einer Delta‐II‐Rakete vom Cape Canaveral aus in eine Erdumlaufbahn geschossen werden. Mit diesem Ereignis wird ein neues Kapitel in dem noch jungen Gebiet der Röntgenastronomie beginnen, denn ROSAT soll zum ersten Mal den ganzen Himmel mit einem abbildenden Röntgenteleskop durchmustern. Das bedeutet eine Steigerung der Empfindlichkeit um mindestens zwei Größenordnungen, verglichen mit den bisherigen Surveys: Während der legendäre Uhuru‐Satellit etwa 400 Röntgenquellen entdeckte und es sein Nachfolger HEAO‐1 auf 800 brachte, erwarten wir von der ROSAT‐Durchmusterung größenordnungsmäßig 105 Röntgenquellen. Dabei wird es sich um praktisch alle Arten von astronomischen Objekten handeln — vom Jupiter über nahe Sterne bis zu Quasaren in kosmologischen Entfernungen.

Im Anschluß an die Himmelsdurchmusterung wird der Satellit Gastbeobachtern für Detailuntersuchungen zur Verfügung stehen. Damit öffnet sich fünf Jahre nach dem Absturz des ESA‐Satelliten EXOSAT wieder das Fenster zum Röntgenhimmel für viele Astrophysiker. Wie groß weltweit das Interesse an solchen Messungen ist, zeigt die Tatsache, daß für ROSAT mehr Beobachtungsvorschläge eingingen als für das Hubble Space Telescope, das am 24. April 1990 gestartet wurde.
Halbleiter‐Quantenpunkte
Authors: Koch S. W.
Published: February 2013

Halbleiter‐Mikrokristallite von der Größe des Bohrschen Exzitonenradius werden oft als Quantenpunkte (Quantum dots) bezeichnet. In diesen mesoskopischen Strukturen sind viele atomare Eigenschaften nur geringfügig im Vergleich zu denen der entsprechenden Volumen‐Halbleiter modifiziert; die eingeschränkte Dimensionalität führt jedoch zu starker Quantisierung der optischen und elektronischen Anregungen. Ähnlich wie in atomaren Systemen bestehen die linearen optischen Spektren idealer Halbleiter‐Quantenpunkte aus einer Abfolge isolierter Resonanzen, die in momentan existierenden Proben allerdings fast immer stark verbreitert sind und zu einem Quasi‐Kontinuum verschmelzen. Die optischen Nichtlinearitäten in Quantenpunkten werden maßgeblich durch die Coulomb‐Wechselwirkung zwischen den angeregten Elektronen und Löchern beeinflußt.
Der fraktionierte Quanten‐Hall‐Effekt
Authors: Chakraborty T.
Published: February 2013

Ein zweidimensionales Elektronengas in einem hohen Magnetfeld senkrecht zur Ebene kondensiert bei sehr tiefen Temperaturen in eine neuartige Quantenflüssigkeit, in einen inkompressiblen flüssigen Zustand, bei dem die Elementaranregungen eine nicht‐ganzzahlige Ladung haben. Dieser Artikel beschreibt, wie sich das Verständnis dieses Phänomens und einiger damit zusammenhängenden ungewöhnlichen Eigenschaften entwickelt hat.
Zirkular polarisierte Röntgenstrahlung — eine neue Sonde zum Studium des Magnetismus
Authors: Schütz G.
Published: February 2013

Seit einigen Jahren wird versucht, die Synchrotronstrahlung, die eine intensive Röntgenquelle mit hervorragenden Polarisationseigenschaften darstellt, auch zur Untersuchung magnetischer Strukturen zu nutzen. Mit zirkular polarisierter Röntgenstrahlung als Sonde liefert hierzu die spinabhängige Absorptionsspektroskopie einen wichtigen Beitrag: Der magnetische Anteil des Absorptionsquerschnittes in der Nähe einer Absorptionskante kann bis zu 20% betragen und gibt Aufschluß über die Spinpolarisation elektronischer Zustände und lokale magnetische Strukturen.
Rückblicke aus gegebenem Anlaß: Aus der Geschichte der Physikalischen Gesellschaften in Deutschland
Authors: Walcher W.
Published: February 2013

Der Rückblick auf die nahezu 150jährige Geschichte der Deutschen Physikalischen Gesellschaft ist eine Erinnerung an glanzvolle Höhepunkte ebenso wie an Brüche und Trennungen infolge der politischen Katastrophen dieses Jahrhunderts. Wilhelm Walcher, von 1959‐1961 Vorsitzender des Verbandes Deutscher Physikalischer Gesellschaften und Ehrenmitglied der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, ist Zeitzeuge eines langen Abschnitts dieser Geschichte. Er hat maßgeblichen Anteil an der Neuorganisation der DPG nach dem Krieg. Das folgende ist eine erweiterte Fassung seines Festvortrags anläßlich der feierlichen Unterzeichnung der Vereinbarung zwischen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft und der Physikalischen Gesellschaft der DDR zum Zusammenschluß beider Gesellschaften am 20. November 1990 im Magnus‐Haus in Berlin.
Atome im nichtklassischen Licht
Authors: Walther H.
Published: February 2013

Fragen der Photonenstatik von Lichtquellen sind in der Quantenoptik in den letzten Jahren sehr intensiv untersucht worden. Von besonderem Interesse ist dabei die Erzeugung der sogenannten nichtklassischen Strahlung. Diese ist nur bei einer quantenmechanischen Behandlung des Strahlungsfeldes erlaubt und kann nicht durch ein klassisches elektromagnetisches Feld dargestellt werden. Im Photonenbild entspricht der nichtklassischen Strahlung eine gleichmäßige Folge von Photonen. Ein solcher Lichtstrahl ist für die optische Kommunikation von sehr großem Interesse, da ein Optimum an Information übertragen werden kann; außerdem sind die Intensitätsschwankungen minimal. Aus diesem Grunde ist die Untersuchung der Bedingungen, die zur Erzeugung des nichtklassischen Lichtes führen, von großer Bedeutung. Es zeigt sich, daß die Herstellung der Strahlung in einem Maser/Laser dann möglich ist, wenn die Verluste außerordentlich klein gehalten werden; außerdem müssen die Energieaustauschprozesse zwischen Strahlungsfeld und Atomen sehr genau kontrolliert werden, so daß hierbei keine zusätzlichen Photonen verloren gehen. Diese Prozesse sind von grundsätzlichem Interesse, da sie eine Messung von Strahlungsfeldern erlauben, ohne daß dabei Photonen vernichtet werden, wie es normalerweise der Fall ist.
Die Einheit von Mikro‐ und Makrokosmos
Authors: Schopper H.
Published: February 2013

Das Zusammenwachsen der Elementarteilchenphysik mit der Kosmologie — bewirkt nicht nur durch theoretische Überlegungen, sondern auch durch „kosmologische”︁ Experimente im Laboratorium — eröffnet faszinierende Ausblicke, die nicht nur für unser Verständnis von der Natur, sondern auch für unser Weltbild von Bedeutung sind. Dies versucht der folgende Beitrag in aller Kürze zu zeigen.
Thermodynamische und Transporteigenschaften dichter Plasmen
Authors: Ebeling W. , Röpke R. G.
Published: February 2013

Über 99% der Materie im Weltall befinden sich im Zustand eines dichten Plasmas; insbesondere betrifft das das Innere der Sterne und der großen Planeten. Unter irdischen Bedingungen sind dichte Plasmen eher selten anzutreffen, aber sie gewinnen zunehmend an Bedeutung für moderne Technologien; dazu zählen Bogen‐ und Funkenentladungen, Hochdrucklampen, Plasmaätzen, ‐beschichten und ‐schweißen, MHD‐Generatoren, Plasma‐Antriebe und die Laserfusion. Im Hinblick auf die großen experimentellen Schwierigkeiten bei der Untersuchung solcher Systeme mit zum Teil extremen physikalischen Parametern ist eine theoretische Analyse von besonderer Bedeutung. Die grundlegenden Prinzipien, die wichtigsten Parameter und einige ausgewählte Ergebnisse werden vorgestellt.
Der Si/SiGe‐Heterobipolar‐transistor: Ein Bauelement für schnelle integrierte Schaltungen
Authors: Schreiber H. U.
Published: February 2013

Für zukünftige Anwendungen in der optischen Breitband‐Kommunikation, in der Computertechnik und in anderen Bereichen sind sehr schnelle integrierte Schaltungen mit ständig wachsenden Schaltgeschwindigkeiten erforderlich. Hierfür eignen sich spezielle Bipolartransistoren, die neben guten Hochfrequenzeigenschaften eine hohe Steilheit mit hervorragender Treiberfähigkeit aufweisen.
Umweltschutz mit Laserlicht: Laserspektroskopische Analyse und mathematische Modellierung von Verbrennungsprozessen
Authors: Warnatz J. , Wolfrum J.
Published: February 2013

Seit über einer Million Jahren bedient sich der Mensch der Verbrennungsprozesse zur Energieumwandlung. Auch heute noch decken Verbrennungsprozesse über 90 % des weltweiten Energiebedarfs. Die Freisetzung der in fossilen Brennstoffen gespeicherten Sonnenenergie hat damit inzwischen Dimensionen erreicht, deren globale Auswirkungen in der Atmosphäre und Biosphäre nicht mehr zu übersehen sind. Die Entwicklung umweltfreundlicher und effizienter neuer Verbrennungsverfahren kann jedoch kaum noch wie bisher auf überwiegend empirische Weise vorangebracht werden. Technische Verbrennungsprozesse sind bestimmt durch eine komplexe mehrdimensionale Wechselwirkung zwischen verschiedenen Transportvorgängen und einer großen Zahl von chemischen Elementarreaktionen. Ein grundlegendes Verständnis dieser Wechselwirkung ist notwendig, wenn in Zukunft entscheidende Fortschritte in der besseren Ausnutzung der Kraftstoffe bei gleichzeitiger Verminderung der Schadstofferzeugung erzielt werden sollen. Neue Möglichkeiten bietet eine verbesserte Computermodellierung von Verbrennungsvorgängen. Eine zuverlässige Validierung dieser Modelle ist jedoch nur möglich, wenn es gelingt, ohne Störung des Verbrennungsvorgangs Informationen über Temperatur, Konzentrationen und Geschwindigkeiten der reagierenden Teilchen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erhalten. Die Entwicklung leistungsfähiger Laserlichtquellen in einem weiten Wellenlängenbereich hat auf dem Gebiet der berührungsfreien Diagnostik zu wesentlichen Fortschritten geführt. Durch Einsatz linearer und nichtlinearer laserspektroskopischer Techniken wie laserinduzierter Fluoreszenz (LIF), kohärenter anti‐Stokes‐Ramanspektroskopie (CARS), Raman‐, Rayleigh‐ und Mie‐Streuung sowie abstimmbarer Infrarotlaser lassen sich die gewünschten Parameter mit hoher zeitlicher Auflösung sowohl punktweise wie auch in mehreren Dimensionen simultan erfassen. In dem vorliegenden Beitrag wird der Stand der Entwicklung anhand verschiedener Beispiele dargestellt, wobei die Systeme nach steigender Komplexität geordnet sind.
Quantendots auf Halbleitern: Diskrete Systeme mit wenigen Elektronen
Authors: Merkt U.
Published: February 2013

Seit 25 Jahren werden in Halbleitern zweidimensionale Elektronengase, beispielsweise in Feldeffekttransistoren oder in Heterostrukturen, erzeugt und untersucht. Seit jüngster Zeit kann mit hochauflösenden Techniken der Mikrostrukturierung die Bewegung der Elektronen auch in lateraler Richtung quantisiert und so die Dimensionalität dieser Gase weiter verringert werden. Damit stehen heute in Halbleitern Elektronensysteme aller vier Dimensionalitäten, von den drei‐ bis zu den nulldimensionalen Systemen, zur Verfügung. Mit den diskreten oder nulldimensionalen Elektronensystemen in den Quantendots werden prinzipielle Grenzen der Miniaturisierung von Bauelementen erreicht. Für die Physik eröffnen sich neue Möglichkeiten zur Erforschung von wechselwirkenden Systemen mit wenigen Elektronen.
SXM — Rastermikroskopien für x‐beliebige Oberflächeneigenschaften
Authors: Pohl D. W.
Published: February 2013

Das Prinzip der Rastertunnelmikroskopie (STM‐Prinzip) kann auf die verschiedenartigsten Wechselwirkungen zwischen zwei Körpern übertragen werden. Daraus resultiert eine beachtliche Anzahl von Mikroskopien („SXM”︁), die dem STM analog sind, aber statt auf den Tunnelstrom auf andere Parameter reagieren. Nach dem Grad der nötigen Annäherung kann man die verschiedenen Effekte in die Bereiche Kontakt, Elektronenaustausch, Van‐der‐Waals und extern aufgeprägte Wechselwirkungen einordnen; nach ihrer physikalischen Natur bietet sich die Einteilung in Feld‐ und Transportphänomene an.
Quanten‐Monte‐Carlo‐Simulationen in der Festkörperphysik
Authors: von der Linden W.
Published: February 2013

Monte‐Carlo‐Simulationen sind ein etabliertes und hilfreiches Verfahren bei der Behandlung von Problemen der klassischen statistischen Physik. Obwohl seit Mitte dieses Jahrhunderts ebenso bekannt ist, wie auch quantenmechanische Probleme mit stochastischen Mitteln behandelt werden können, ging die Entwicklung der Quanten‐Monte‐Carlo‐Verfahren weitaus langsamer voran. Erst in den letzten Jahren ist es gelungen, diese Methoden erfolgreich in der Festkörperphysik einzusetzen. Insbesondere die Entdeckung der Hochtemperatur‐Supraleiter — und das damit verbundene Interesse an Modellen für stark wechselwirkende Fermionen — hat zu einem vermehrten Einsatz von Quanten‐Monte‐Carlo‐Verfahren geführt. Ihnen kam nicht zuletzt die enorme Leistungsfähigkeit der heutigen Großrechner zugute, und sie werden sicherlich mit der neuen Generation der Teraflop‐Maschinen weiter an Bedeutung gewinnen. Im Zuge dieser neueren Entwicklungen ist es gelungen, die Algorithmen zu verbessern und ein tieferes Verständnis dieser Verfahren, ihrer Anwendbarkeit und Grenzen zu erlangen.