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Einsteins Züricher Notizbuch: Die Entdeckung der Feldgleichungen der Gravitation im Jahre 1912
Authors: Renn J. , Sauer T.
Published: February 2013

Acht Jahre lang, von 1907 bis 1915, arbeitete Einstein daran, die Spezielle Relativitätstheorie auf beschleunigte Bezugssysteme zu erweitern und eine relativistische Theorie der Gravitation zu entwickeln. Obwohl die Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie Einstein schließlich als weitgehende Verwirklichung seiner bereits früh formulierten heuristischen Annahmen erschienen, verlief der historische Entwicklungsgang keineswegs gradlinig. — Wie die Analyse eines in der Wissenschaftsgeschichte bislang nur in Auszügen berücksichtigten Forschungsmanuskripts Einsteins zeigt, führten ihn dieselben heuristischen Annahmen bereits 1912 fast bis zu den Gleichungen von 1915, verhinderten aber gleichzeitig deren sinnvolle physikalische Interpretation. Die Rekonstruktion der in diesem Manuskript niedergeschriebenen Überlegungen Einsteins erlaubt ein besseres Verständnis der Entdeckungsgeschichte der Allgemeinen Relativitätstheorie und insbesondere Einsichten in die begrifflichen Schwierigkeiten, die Einstein zu überwinden hatte.
Photoelektronenbeugung: Eine nunmehr bewährte Methode zur Strukturbestimmung von Adsorbaten
Authors: Schaff O. , Bradshaw A. M.
Published: February 2013

Photoelektronenbeugung unter Verwendung von Synchrotronstrahlung hat bereits wichtige Beiträge zur Oberflächenstrukturanalyse geliefert. Mit dieser Methode lassen sich adsorbierte Moleküle und Molekülfragmente besonders gut untersuchen, da solche Systeme häufig keine langreichweitige Ordnung zeigen und daher mit konventionellen Beugungsmethoden nicht zugänglich sind. Die neue, dritte Generation von hochbrillanten Synchrotronstrahlungsquellen wird weitere Fortschritte ermöglichen.
Bloch‐Oszillationen in Halbleiter‐Übergittern
Authors: Dekorsy T. , Kurz H.
Published: February 2013

Vor nahezu siebzig Jahren postulierten Zener und Bloch, daß Elektronen in einem periodischen Potential unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes Oszillationen ausführen. Erst in jüngster Vergangenheit wurde es möglich, diese Bloch‐Oszillationen bei tiefen Temperaturen in Halbleiter‐Übergittern zeitaufgelöst zu beobachten. Der Nachweis der optisch angeregten, kohärenten Elektronenschwingungen gelang sowohl in nichtlinearen optischen Experimenten als auch durch die Detektion der charakteristischen elektromagnetischen Strahlung im THz‐Bereich, die von der räumlichen Bewegung der Wellenpakete verursacht wird. Kürzlich konnte man dieses abstimmbare Quantenphänomen auch erstmalig bei Raumtemperatur beobachten [1]. Damit rückt elektronische Quantenkohärenz in Halbleitern vom rein akademischen Interesse in die Nähe von Anwendungen.
Faserlaser: Neuartige Laserstrahlquellen mit Emissionen im sichtbaren Spektralbereich
Authors: Tünnermann A. , Zellmer H. , Welling H.
Published: February 2013

Seit über 35 Jahren wird intensiv auf dem Gebiet der Laserentwicklung gearbeitet. Doch noch immer fehlen im sichtbaren Spektralbereich effiziente, leistungstarke, kontinuierliche Laserquellen hoher Strahlqualität, wie man sie heute für eine Vielzahl von wissenschaftlichen und kommerziellen Anwendungen benötigt. Hervorzuheben sind insbesondere Anwendungen in der Biologie, der Medizin, der Metrologie und der Spektroskopie, aber auch in der Druck‐ und Projektionstechnik. Der Markt für derartige Lasersysteme wird derzeit auf etwa 100 Millionen US$ jährlich geschätzt [1]. In der Konsequenz gehört heute die Entwicklung kompakter, leistungsstarker Laser‐systeme mit Emissionen im sichtbaren Spektralbereich zu den aktivsten Forschungsgebieten auf dem Sektor der modernen, angewandten Quantenoptik. Der folgende Beitrag gibt einen Überblick über Konzepte zur Erzeugung von Laserstrahlung im roten, grünen und blauen Spektralbereich und konzentriert sich auf neuartige Faserlaser, die für den sichtbaren Bereich interessante Perspektiven eröffnen.
Laser‐Display‐Technologie — wo stehen wir?
Authors: Deter C.
Published: February 2013

Großflächige Displays bilden einen Zukunftsmarkt, dem höchstes Wachstum vorausgesagt wird. Die Laser‐Display‐Technologie kann heute bereits mit einigen Labormustern aufwarten. Entscheidend ist die Entwicklung effizienter und zuverlässiger Laserstrahlquellen. Der folgende Beitrag informiert über aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der Laserprojektionssysteme.
Transversale Moden in Laserdioden: Mit einem nahfeldoptischen Mikroskop lassen sich die transversalen Lasermoden frequenzaufgelöst abbilden
Authors: Marti O.
Published: February 2013

Speziellen Laserdioden, den sog. VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers), wird eine große Zukunft als Sender in Glasfaser‐Kommunikationsnetzen vorausgesagt. Mit einem nahfeldoptischen Mikroskop ist es erstmals gelungen, die einzelnen Lasermoden frequenzaufgelöst abzubilden.
Der Photonen‐Hall‐Effekt
Authors: Rikken G. , Sparenberg A. , van Tiggelen B.
Published: February 2013

Obwohl Photonen ungeladen sind, können sie sich so verhalten, als würden sie elektrische Ladung tragen: Licht wird in streuenden Medien durch ein Magnetfeld abgelenkt und zwar phänomenologisch analog zum elektronischen Hall‐Effekt.
Quantennormale im SI‐Einheitensystem
Authors: Göbel E. O.
Published: February 2013

Die historische Entwicklung der Einheiten von den Körpermaßen (Elle, Fuß, etc.) über die Naturmaße (Meter als zehnmillionster Teil eines Erdquadranten, Gramm als die Masse von Wasser mit einem Volumen von einem Kubikzentimeter) geht zunehmend hin zu Quantennormalen. Tatsächlich wurde dieser Trend bereits von Maxwell 1870 propagiert, der feststellte, daß man die Maßverkörperung der Einheiten für Länge, Zeit und Masse nicht in den Abmessungen, der Bewegung oder Masse unserer Planeten, sondern in der Wellenlänge, Frequenz oder Masse der unvergänglichen, unveränderlichen und vollkommen gleichartigen Atome suchen sollte.

Quantennormale nutzen makroskopische Quantenphänomene, wie z. B. Suprafluidität, Supraleitung, den Josephson‐Effekt oder den von‐Klitzing‐Effekt, aus, um nur einige Beispiele zu nennen. Nach unserem heutigen Verständnis der Physik unterliegen ideale Quantennormale, im Gegensatz zu den Maßverkörperungen durch Normale der klassischen Physik, keinen Umgebungseinflüssen, da sie auf physikalische Fundamentalkonstanten zurückgeführt werden.

Den offensichtlichen Vorteil der Quantennormale mit ihrer Unabhängigkeit von Zeit und Ort „erkauft”︁ man sich allerdings durch einen z. T. erheblichen experimentellen Aufwand bei der praktischen Handhabung, letztendlich also bei der sorgfältigen Präparation des Quantenzustandes. In diesem Artikel werden die in der PTB genutzten Quantennormale zur Darstellung bzw. Reproduzierung und Weitergabe von Einheiten des SI‐Systems vorgestellt und diskutiert.
Zehn Jahre Hochtemperatur‐Supraleiter: Stand der Anwendungen
Authors: Rietschel H.
Published: February 2013

Im Mai 1992 wurde in dieser Zeitschrift der Entwicklungsstand der Hochtemperatur‐Supraleiter (HTSL) im Hinblick auf ihre technische Nutzung aufgezeigt [1]. Heute liegt es fast genau zehn Jahre zurück, daß mit YBa2Cu3O7 der erste Supraleiter gefunden wurde, dessen Übergangstemperatur (92 K) genügend hoch liegt, um Kühlung mit flüssigem Stickstoff zu ermöglichen. Im vorliegenden Artikel soll nun ein knapper Überblick über die weiteren Fortschritte seit Erscheinen von [1] gegeben und damit gleichzeitig der Stand der Anwendungen nach einem Jahrzehnt „HTSL”︁ skizziert werden. Eine sehr ausführliche Darstellung mit umfangreichen Literaturhinweisen zu diesem Thema findet sich in [2].
ROSAT und die Sternentstehung in der Milchstraße
Authors: Sterzik M.
Published: February 2013

T‐Tauri‐Sterne (TTS) sind klassische Studienobjekte der modernen Astrophysik, da sie Einblick in typische Bedingungen und Mechanismen für die Entstehung von sonnenähnlichen Sternen — und möglicherweise auch Planetensystemen wie unserem eigenen — gewähren. Die ROSAT‐Himmelsdurchmusterung erlaubt zum ersten Mal eine systematische Untersuchung der räumlichen Verteilung von im Röntgenbereich sehr aktiven TTS. Überraschenderweise findet man diese jungen Sterne nicht nur konzentriert in Gruppen, sondern auch in großem Abstand zu bekannten Sternentstehungsgebieten. Die räumliche Verteilung folgt weitgehend dem bekannten Gould Belt, der ansonsten durch junge und heiße Sterne (Spektralklasse O und B) definiert ist.
Lew Schubnikow — ein wissenschaftliches Porträt: Vor 60 Jahren fiel der russische Pionier der Tieftemperaturphysik dem Stalinschen Terror zum Opfer
Authors: Rotter H.
Published: February 2013

Vor 60 Jahren, auf dem Höhepunkt des Großen Terrors, wurde der russische Physiker Lew Schubnikow, enger Freund Lew Landaus, nach dreimonatiger Untersuchungshaft vom NKWD zum Tode verurteilt und am 10. November 1937 erschossen. Dies gab das KGB endlich 1991 preis, nachdem die hochbetagte Witwe Schubnikows sich mit einer Eingabe an das noch existierende Politbüro des ZK der KPdSU gewandt hatte. Seit mehr als einem halben Jahrhundert hatte sie ungezählte ähnliche Eingaben ergebnislos an die Sowjetmachthaber gerichtet und Auskunft über das Schicksal ihres Mannes verlangt. Für den Physiker von heute verbindet sich mit dem Namen Schubnikow die Entdeckung zweier subtiler Phänomene — des Schubnikow‐de Haas‐Effekts und der Schubnikow‐Phase. Zu danken sind Schubnikow noch weitere Pionierexperimente in der Tieftemperaturphysik, an die im folgenden ebenfalls erinnert wird.
Die Physik auf neuen Pfaden
Authors: Helbing D.
Published: February 2013

Fußgänger verhalten sich überraschend gesetzmäßig. Die Entstehung von kollektiven raum‐zeitlichen Bewegungsmustern und von Trampelpfadsystemen läßt sich daher sehr realitätsnah mit Hilfe eines einfachen „Active‐Walker‐Modells”︁ beschreiben. Das entsprechende Simulationsprogramm kann zur Planung und Optimierung von Fußgängerzonen sowie von Wegesystemen in Parks (Abb. 1) eingesetzt werden.
Transistoren aus Hochtemperatur‐Supraleitern?
Authors: Mannhart J.
Published: February 2013

Transistoren aus Hochtemperatur‐Supraleitern könnten die supraleitende Elektronik revolutionieren. Daher wird seit einigen Jahren intensiv nach neuartigen Konzepten für solche Bauelemente geforscht.
Die Strahlungsquelle ELBE am Forschungszentrum Rossendorf: Grundsteinlegung und erstes Nutzertreffen
Authors: Grosse E.
Published: February 2013

In einigen Wochen wird der Grundstein für die Strahlungsquelle ELBE am Forschungszentrum Rossendorf (FZR) bei Dresden gelegt. Das Kernstück dieser neuen Anlage wird ein supraleitender Elektronen‐Linearbeschleuniger hoher Brillanz sein, der in seiner Kombination von hoher Strahlintensität und guter Strahlqualität (d. h. niedriger Emittanz) alle in Europa existierenden Anlagen übertreffen soll (das Akronym ELBE wurde aber nicht nur deshalb gewählt).
Strukturbildung in dissipativen kontinuierlichen Systemen
Authors: MüllerF S. C. , Parisi J.
Published: February 2013

Rollen oder hexagonale Zellen, die sich in einer dünnen, waagrechten und von unten beheizten Flüssigkeitsschicht ausbilden, sind das wohl prominenteste Beispiel für raum‐zeitliche Strukturbildung in dissipativen kontinuierlichen Systemen. In der Hydrodynamik, der physikalischen Chemie und der Halbleiterphysik gibt es zahlreiche weitere Beispiele, deren Untersuchung im Rahmen eines Schwerpunkts der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird. Die exemplarisch herausgegriffene wellenförmige Ausbreitung von Erregungszuständen – das sind spiralförmig rotierende Strukturen in physikalischen, chemischen und biologischen Systemen – verdeutlicht die wesentlichen Merkmale dieses Forschungsgebiets und seinen interdisziplinären Charakter.
Physik am Kühlersynchrotron COSY
Authors: Kilian K. , Meißner U.‐G. , Speth J.
Published: February 2013

Der Protonenbeschleuniger COSY wurde in enger Kooperation mit Universitätsgruppen aus Bonn, Köln und Münster geplant und als das zentrale Forschungsgerät des Instituts für Kernphysik am Forschungszentrum Jülich aufgebaut. Seit 1994 wird COSY als Gerät der Verbundforschung von einer großen Zahl von Forschungsgruppen aus dem In‐ und Ausland intensiv genutzt. Die an COSY durchgeführten Experimente zur Struktur der Mesonen und Baryonen sowie ihrer Wechselwirkungen helfen, unser noch unzureichendes Verständnis der Quantenchromodynamik bei niedrigen Energien zu vertiefen. Außerdem ist COSY so ausgelegt, daß sich zum ersten Mal auch das Verhalten von Elementarteilchen mit Seltsamkeit (Strangeness) bei Energien, die gerade zur Erzeugung dieser Teilchen ausreichen, untersuchen läßt. Wir berichten im folgenden über Resultate und ihre Interpretation und zeigen kurz die Komplementarität von COSY mit den entsprechenden Elektronenbeschleunigern auf.
Das Mekka der Neutronenforschung
Authors: Scherm R. H.
Published: February 2013

Jahr für Jahr pilgern hunderte von Wissenschaftlern nach Grenoble, um am Institut Max von Laue‐Paul Langevin mit Neutronen zu experimentieren. Im Mittelpunkt des Interesses stehen die Strukturanalyse und Spektroskopie von Kristallen und Molekülverbindungen mit Hilfe der Neutronenbeugung. Darüber hinaus werden die Neutronen zur Anregung von Kernreaktionen und für Grundlagenversuche verwendet.
Polarisierte Neutronen
Authors: Heil W.
Published: February 2013

Die Nutzung des Spinfreiheitsgrades von Neutronen zur Steigerung der Qualität dessen, was die Neutronenstreuung entdecken kann, steckt heute fast 60 Jahre nach Erscheinen der richtungsweisenden Arbeiten von Halpern und Johnson [1], noch immer in den Kinderschuhen. Zwar ist der Spin des Neutrons zu einem unentbehrlichen Hilfsmittel bei z. B. den fundamentalen Experimenten zum elektrischen Dipolmoment des Neutrons oder zum Beta‐Zerfall des freien Neutrons geworden, in der Festkörperphysik wird von Polarisation und Polarisationsanalyse aber eher wenig Gebrauch gemacht. Zur Zeit sind nur 6 der 25 (vom ILL finanzierten) Instrumente in der Lage, polarisierte Neutronen zu produzieren und zu nutzen. Die Gründe hierfür sind vielschichtig, ein entscheidender Faktor sind aber sicherlich die ungleich längeren Meßzeiten im Vergleich zu typischen Meßperioden mit unpolarisierten Neutronen. Daher sind in den letzten Jahren am ILL große Anstrengungen unternommen worden, einen Durchbruch in Richtung einer effizienteren Polarisationsanalyse zu erzielen.
Korrelationsspektroskopie mit kohärenter Röntgenstrahlung
Authors: Grübel G.
Published: February 2013

Wird kohärentes Licht an einem ungeordneten System gestreut, so zeigt das Streubild eine scheinbar zufällige, körnige Struktur, die als „Speckle”︁ bezeichnet wird (ein Beispiel ist die Streuung von Laserlicht an einer rauhen, weißen Wand). Speckle‐Muster sind Interferenzmuster und damit ein Abbild der exakten räumlichen Anordnung der Streuzentren im ungeordneten System. Ändert sich diese Anordnung als Funktion der Zeit, so fluktuiert auch das dazugehörige Speckle‐Muster, und die Intensitätsfluktuationen einzelner oder äquivalenter Speckle geben Auskunft über die Dynamik des Systems. Diese Intensitätsfluktuationen zu messen ist Gegenstand der dynamischen Lichtstreuung (Korrelationsspektroskopie), die sich üblicherweise kohärenten Lichts aus einer Laserquelle bedient, aber neuerdings auch mit kohärentem Röntgenlicht aus einer Synchrotronquelle möglich ist [1].
Hundert Jahre Braunsche Röhre
Authors: Hars F.
Published: February 2013

Auch wenn sich der Trend langsam gegen sie wendet, sind Braunsche Röhren heute in verschiedensten Formen fast allgegenwärtig: Als Fernsehbildschirme findet man sie in Wohnzimmern und als Computermonitore in Büros. Auch in ihrer ursprünglichen Anwendungsform als Oszillographen dürfen sie in kaum einem Labor und kaum einer Werkstatt fehlen, die irgend etwas mit zeitlich veränderlichen elektrischen Erscheinungen zu tun haben. So vielfältig und offensichtlich sind ihre Anwendungsmöglichkeiten, daß man leicht versucht ist, die Braunsche Röhre für ein von Anfang an völlig problemloses Instrument zu halten. Tatsächlich hat es nach der Erfindung aber Jahrzehnte gedauert, bis sich dieses Gerät zu dem Standardinstrument entwickelt hat, als das wir es heute wahrnehmen.
Medizinphysik: Rekonstruktive Röntgenbildgebung: Tomographische Verfahren in drei Dimensionen
Authors: Härer Wolfgang , Lauritsch Günter , Mertelmeier Thomas , Wiesent Karl
Published: February 2013

Bildgestützte Gehirnoperation durchs Bein, virtueller Flug durchs Körperinnere, 3D‐Visualisierung des sich bewegenden Herzens und Ganzkörperscan in wenigen Sekunden — dies sind Szenarien, die teils schon heute Wirklichkeit werden, teils aber noch Zukunftsvisionen sind. Sie verdeutlichen, welchen Fortschritt die Röntgenbildgebung seit Entdeckung der Röntgenstrahlen gemacht hat. Das erste voll digitale Bildsystem zur Darstellung von überlagerungsfreien Schnitten des Körperinneren, die Computertomographie (CT), wurde in den 70er Jahren entwickelt. Heute besteht die Herausforderung an Gerätetechnik und Algorithmen darin, diese Methode auf drei Raumdimensionen zu erweitern. Bei allen CT‐Verfahren handelt es sich um eine inhärent mathematische Methode, welche die Inversion einer Integraltransformation beeinhaltet. Für die Bildrekonstruktion aus Projektionsdaten muß jedoch nicht nur der mathematische Algorithmus formuliert werden, sondern auch die Numerik auf dem Computer effizient implementiert und die Physik der Datenaufnahme verstanden werden.
Diplom erst seit 1942
Authors: Simonsohn G.
Published: February 2013

Zu: Für internationale Anerkennung des Diploms werben, Januar 1999, S. 6
Photonik: Photonische Kristalle: Mikrostrukturierte Festkörper eröffnen neue Wege zur Manipulation von Licht
Authors: Birner Albert , Busch Kurt , Müller Frank
Published: February 2013

Was Elektronen in Halbleiterkristallen widerfährt, erleben in tiefgehender Analogie Photonen („Lichtteilchen”︁) in Photonischen Kristallen: Mehrfachstreuungen an periodisch angeordneten „dielektrischen Atomen”︁ führen zur Ausbildung einer optischen Bandstruktur, welche sich fundamental auf die Lichtausbreitung sowie auf Emissionsprozesse in diesen meist künstlichen Strukturen auswirkt. Diese noch relativ neue Erkenntnis löste vor ungefähr zehn Jahren intensive, anfangs ausschließlich grundlagenorientierte Forschungsanstrengungen aus. Darauf aufbauend wurden neuartige, integriert‐photonische Bauelemente vorgeschlagen, die durch ihre Miniaturisierung und hohe Effizienz völlig neue Anwendungsgebiete erschließen können. Mit der erstmaligen Realisierung solcher Bauelemente darf in den nächsten Jahren gerechnet werden. Dies könnte für die Photonik eine ähnlich stürmische Entwicklung einleiten, wie sie in der Elektronik in den letzten Jahrzehnten stattgefunden hat.
Die Gravitationskonstante — eine Herausforderung an die Meßtechnik
Authors: Nolting Frithjof , Schurr Jürgen , Schlamminger Stephan , Kündig Walter
Published: February 2013

Seit nunmehr 200 Jahren versuchen Physiker, die Gravitationskonstante G präziser zu bestimmen, doch nach wie vor erweist sich deren Messung als sehr schwierig. So wurden vor einigen Jahren die Resultate von drei Experimenten publiziert, deren Ergebnisse um bis zu 0,7% voneinander abweichen. Die meisten Experimente zur Messung der Gravitationskraft beruhen auf der Cavendish‐Torsionswaage, deren 200jähriges Jubiläum im letzten Jahr gefeiert wurde. Wir verfolgen einen komplett anderen Ansatz, indem wir eine Balkenwaage als Kraftsensor verwenden. Mit dieser Waage vergleichen wir zwei 1‐kg‐Massen, deren Gewichtsunterschied durch die Gravitationskraft von 13 Tonnen Quecksilber verändert wird.
Schottky ‐ Spenke ‐ Welker: Erinnerungen an die „Gründerjahre”︁ der Halbleiterphysik in Deutschland nach dem Zweiten Weltkrieg
Authors: Madelung Otfried
Published: February 2013

Mit der systematischen Erforschung der Halbleitereigenschaften des Germaniums und der Erfindung des Transistors schien in der frühen Nachkriegszeit die Halbleiterforschung und ‐entwicklung eine Domäne der amerikanischen Physik zu werden. Es war ein Glücksfall, daß damals bei den Siemens‐Schuckert‐Werken in Erlangen/Pretzfeld drei Physiker von internationalem Rang zusammenkamen: Walter Schottky, Eberhard Spenke und Heinrich Welker. Ihnen ist es zu verdanken, daß in den 50er Jahren die deutsche Halbleiterforschung in Theorie, Experiment und technischer Anwendung Weltgeltung erlangte. In diesem Artikel soll aus persönlichem Erleben die damalige Entwicklung geschildert werden.
Marian Smoluchowski‐Emil Warburg‐Preis: Laudatio auf den Preisträger 1999
Authors: Wöste Ludger
Published: February 2013

Die Polnische Physikalische Gesellschaft und die Deutsche Physikalische Gesellschaft verleihen den Marian Smoluchowski‐Emil Warburg‐Preis 1999 an Herrn Prof. Dr. Ludger Wöste, Freie Universität Berlin, für seine Beiträge zur Clusterphysik, zur Laserspektroskopie sowie zur Weiterentwicklung von Lasern.
Monodisperse Metallcluster auf Oberflächen: Durch Bestrahlen mit Laserlicht lassen sich Cluster einheitlicher Größe herstellen
Authors: Stietz Frank , Träger Frank
Published: February 2013

Teilchen mit Abmessungen im Nanometerbereich, meist Cluster genannt, weisen physikalische und chemische Eigenschaften auf, die nicht nur erheblich von denen des jeweiligen Festkörpermaterials abweichen, sondern auch gravierend von ihrer Größe abhängen. Auf eine Unterlage aufgebracht oder in ein Matrixmaterial eingebettet, erlauben sie es, neue Materialien mit “maßgeschneiderten” Eigenschaften zu entwickeln. Bisher war allerdings die Herstellung von Nanoteilchen mit wohldefinierter, beliebig einstellbarer Größe und schmaler Größenverteilung ein ungelöstes Problem. In diesem Artikel wird ein Verfahren vorgestellt, welches die Erzeugung praktisch monodisperser Cluster auf Oberflächen erlaubt. Es ist nicht auf bestimmte Größenbereiche beschränkt und nutzt die größen‐ und formabhängige optische Absorption von Clustern aus, um durch Bestrahlen mit Laserlicht breite Größenverteilungen so weit einzuengen, daß monodisperse Teilchen entstehen.
Trocknungsrisse in Stärke: „Küchenphysik”︁ erzeugt Pseudoerdbeben und simuliert Basaltsäulen
Authors: Müller Gerhard
Published: February 2013

Wenn Stärke‐Wasser‐Mischungen getrocknet werden, treten als Folge von starker Volumenabnahme verschiedene Arten von Dehnungsrissen auf. Ihre Ausbreitung, Morphologie, Wechselwirkung und Strukturbildung läßt sich mit einfachen Experimenten untersuchen. Dabei ergeben sich erstaunliche Ähnlichkeiten mit Rissen und Riß‐Systemen in Gesteinen.
Lithographie der nächsten Generation: Angesichts milliardenschwerer Entwicklungskosten muss die Industrie zwischen vier lithographischen Verfahren auswählen
Authors: Kassing Rainer , Käsmaier Rainer , Rangelow Ivo W.
Published: February 2013

In unserer Informationsgesellschaft besteht das Bedürfnis nach immer schnellerer Informationsverarbeitung und ‐übertragung sowie nach immer größerer Informationsdichte. Bei gegebener endlicher Geschwindigkeit für die Informationsübertragung (im Grenzfall die Lichtgeschwindigkeit) besteht die einzige Möglichkeit, diesem Bedürfnis zu entsprechen, darin, dass die Bauelementeabmessungen immer kleiner werden. Dies ist die treibende Kraft der Mikroelektronik und somit des größten und am schnellsten wachsenden internationalen High‐Tech‐Marktes. Um Bauelemente mit Abmessungen unter 100 nm realisieren zu können, muss in den nächsten Jahren die Entscheidung für ein neues Lithographieverfahren fallen.
Hochleistungs‐Diodenlaser für die Materialbearbeitung: Diodenlaser mit bis zu 6 kW Leistung eignen sich zum Schweißen und Härten
Authors: Bachmann Friedrich
Published: February 2013

Halbleiterlaser begegnen uns täglich und überall, zum Beispiel im Supermarkt (Bar‐Code‐Leser), in der heimischen Stereoanlage (CD‐Spieler), im Computer (CD‐ROM, DVD) oder beim Telefonieren (digitale Datenübertragung). Für diese Anwendungen reichen Leistungen im Milliwatt‐Bereich im Allgemeinen aus. Vor einigen Jahren ist es gelungen, Halbleiterlaser auch für hohe Leistungen zu entwickeln, aus denen heute Lasergeräte mit mehreren Kilowatt Ausgangsleistung gebaut werden können. Erste Anwendungen im industriellen Fertigungseinsatz belegen die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit dieser Laser.
Sensorphysik: Der große Lauschangriff auf Ladendiebe: Waren lassen sich durch weichmagnetische Sensorstreifen oder elektrische Schwingkreise vor Diebstahl sichern
Authors: Herzer Giselher
Published: February 2013

Ladendiebstähle führen weltweit zu herben Verlusten: Allein in Deutschland gehen dem Einzelhandel pro Jahr fast 5 Milliarden Mark verloren. Neben Detektiven und Kameraüberwachung gelten vor allem elektronische Warensicherungssysteme als wirksame Waffe gegen Diebe. Bei diesen Systemen werden Sicherungsetiketten ‐ elektrische Schwingkreise oder weichmagnetische Sensorstreifen ‐ an der Ware angebracht, die in Schleusen am Ladenausgang von elektromagnetischen Feldern angeregt werden. Bei unbezahlter Ware, das heißt aktiven Etiketten, wird ein Signal detektiert und Alarm ausgelöst. Allein der Weltmarktführer Sensormatic hat heute weltweit schon etwa 450 000 Warensicherungssysteme installiert, und täglich werden mehrere Millionen Warensicherungsetiketten gefertigt.
Gustav‐Hertz‐Preis: Bloch‐Oszillationen und ihre Kopplung an optische Phononen: Die Femtosekunden‐Spektroskopie liefert neue Einblicke in die Dynamik von Halbleiter‐Übergittern
Authors: Dekorsy Thomas
Published: February 2013

Mithilfe der zeitaufgelösten optischen Spektroskopie mit Femtosekunden‐Laserpulsen lässt sich die Echtzeit‐Dynamik von Elektronen und Phononen und deren Wechselwirkung in Halbleitern untersuchen. Ein fundamentales Problem der Festkörperphysik ist die Oszillation eines Elektrons im periodischen Potential eines Festkörpers unter dem Einfluss eines statischen elektrischen Feldes. Zwar haben Bloch und Zener diese sog. Bloch‐Oszillation schon in frühen Arbeiten vorhergesagt. Doch erst Anfang der 90er Jahre gelang es, künstliche Kristallgitter herzustellen — sog. Halbleiter‐Übergitter ‐, in denen sich Bloch‐Oszillationen mit sub‐Pikosekunden Zeitauflösung tatsächlich auch beobachten ließen. Vor kurzem konnten wir mit einem Halbleiter‐Übergitter die Wechselwirkung der oszillierenden Elektronen mit optischen Phononen unter resonanten Bedingungen untersuchen. Die Experimente gaben Aufschluss über einen neuen Mechanismus zur Anregung kohärenter optischer Phononen.
Walter‐Schottky‐Preis: Kontrolle von Licht in Mikroresonatoren: Quantenpunkte und photonische Kristalle lassen die Vision eines Optik‐Chips näher rücken
Authors: Bayer Manfred
Published: February 2013

Die Wechselwirkung von Licht und Materie zu untersuchen war und ist ein zentrales Anliegen der modernen Halbleiterphysik. Das Interesse wird einerseits von der Grundlagenforschung getrieben, da beispielsweise quantenelektrodynamische Untersuchungen auf Festkörper ausdehnt werden können. Andererseits lassen sich aber entsprechende Erkenntnisse auch unmittelbar in Anwendungen umsetzen. So verspricht eine bessere Kontrolle der Licht‐Materie‐Wechselwirkung die Realisierung hocheffizienter Lichtquellen wie Laser mit sehr niedrigen Schwellenströmen.
Knick in der Elektronik
Authors: Scherer Hansjörg
Published: February 2013

Mit einem geknickten Nanoröhrchen wurde erstmals ein Einzelelektronen‐Transistor bei Raumtemperatur realisiert.
Auftrieb schülergerecht vermitteln
Authors: Ziegler Alfred
Published: February 2013

Zu: „Physik des Fliegens”︁ von Wolfgang Send, Juni 2001, S. 51
Festkörperlaser: Diodengepumpten Lasern gehört die Zukunft
Authors: Kück Stefan , Huber Günter
Published: February 2013

Die Forschung an Festkörperlasern erlebte nach längerem stiefmütterlichen Dasein Mitte der 80er Jahre eine Renaissance, die bis heute wirkt. Festkörperlaser haben sich in der Zwischenzeit auf dem Weltmarkt mit hohen jährlichen Zuwächsen etabliert. Vor allem diodengepumpte Festkörperlaser zeichnen sich durch kompakte Bauweise, hohe Effizienz, gute Strahlqualität, variable Wellenlängen und unterschiedlichste Betriebsarten aus. Sie sind geeignet für Materialbearbeitung, Chirurgie, Diagnostik, optische Kommunikation, Messtechnik, Ultrakurzpulserzeugung, Displaytechnik, wissenschaftliche Forschung und vieles mehr. Noch gibt es aber nicht für jede Anforderung an Wellenlänge, Leistung und Effizienz einen geeigneten diodengepumpten Laser. Durchstimmbare Lasersysteme und die Erzeugung von Wellenlängen im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich sind aktuelle Herausforderungen für die Forschung an diodengepumpten Lasern.
Assessment of solute fluxes beneath an orchard irrigated with treated sewage water: A numerical study
Authors: Russo David , Laufer Asher , Shapira Roi H. , Kurtzman Daniel
Published: February 2013

Key Points

Vadose zone attenuates nitrate load in groundwater

Information from a single sampling point cannot describe 3‐D flow system

An additional sampling point improves description of flow system
Educating Genetic Counselors in Australia—Developing a Masters Program
Authors: Sahhar Margaret , Hodgson Jan , Wake Samantha
Published: February 2013

In 2005 a publication about genetic counseling training in Australia recommended that a 2 year Masters program be established to better equip Australian genetic counselors with increased clinical skills and genetic knowledge (Sahhar et al. Journal of Genetic Counseling, 14(4), 283–294, 2005). A 2 year Masters program, it was argued, would increase the possibility of international reciprocity, thus increasing the employment opportunities for Australian trained genetic counselors overseas. In 2008 the first 2 year professional Masters program in Australia began at the University of Melbourne. The model for how this was achieved is discussed, along with the impact of the competencies developed by the Human Genetics Society of Australasia (Australia and New Zealand), on program evolution, teaching styles and clinical supervision. The principal challenges in developing the Masters program are explored and initiatives specific to SE Asia are discussed.
HIF1‐regulated ATRIP expression is required for hypoxia induced ATR activation
Authors: Ding Gang , Liu He-Dai , Liang Hong-Xiang , Ni Ru-Feng , Ding Zhao-Yan , Ni Guo-Ying , Hua Hong-Wei , Xu Wei-Guo
Published: February 2013

The ATR–ATRIP protein kinase complex plays a crucial role in the cellular response to replication stress and DNA damage. Recent studies found that ATR could be activated in response to hypoxia and be involved in hypoxia‐induced genetic instability in cancer cells. However, the underlying mechanisms for ATR activation in response to hypoxic stress are still not fully understood. We reported that ATRIP is a direct target of HIF‐1. Silencing the expression of HIF‐1α in cancer cells by RNA interference abolished hypoxia‐induced ATRIP expression. Silencing the expression of ATRIP by RNA interference abolished hypoxia induced ATR activation and CHK1 phosphorylation in cancer cells. Taken together, these data shed novel insights on the mechanism of hypoxia‐induced activation of the ATR pathway.
Duration of Fluoroscopic‐Guided Spine Interventions and Radiation Exposure Is Increased in Overweight Patients
Authors: Smuck Matthew , Zheng Patricia , Chong Timothy , Kao Ming‐Chih , Geisser Michael E.
Published: February 2013

Background

The impact of patient body mass index (BMI) on image‐guided spine interventions remains unknown. Higher BMI is known to complicate the acquisition of radiographic images. Therefore it can be hypothesized that the patient's body habitus can influence the delivery of a spinal injection.

Objective

To quantify the impact of patient BMI on the length of fluoroscopy and procedure times during spine interventions.

Design

Secondary analysis of 2 prospective observational studies.

Setting

All injections were performed in an outpatient university setting.

Participants

A total of 209 patients in whom spine injections were performed (99 women), with a mean age of 54.6 years.

Methods

The fluoroscopy times for 202 participants and total procedure times for 137 participants were recorded. Additional participant characteristics, including age, gender, BMI, and actual procedures performed, also were collected. Analysis of covariance and linear and nonlinear model analysis were performed to assess the effect of BMI on fluoroscopy and procedure times.

Main Outcome Measurements

Fluoroscopy time and procedure duration times.

Results

Participants had a mean age of 54.6 years, 51% were men, and 77% (n = 155) were overweight (BMI ≥25). Participants received the following interventions: 40 zygapophyseal joint injections, 33 medial branch nerve blocks, 113 transforaminal epidural injections, and 16 combined zygapophyseal joint injections and epidural injections. Gender, procedure number, and procedure type did not differ between groups. The overweight group demonstrated a 30% increase in mean fluoroscopy time and a 35% increase in mean procedure time. Controlling for other variables, we found that differences in fluoroscopy time and procedure time were significant (P = .032 and P = .031, respectively) between the 2 groups.

Conclusions

Significantly prolonged procedure time and fluoroscopy time in overweight patients increase the risks associated with spine interventions, not only to the patients but also to the operating room staff exposed to ionizing radiation.
Der Zusammenhang von Fitness, kognitiver Leistungsfähigkeit und Gehirnzustand im Schulkindalter
Authors: Hillman Charles H. , Schott Nadja
Published: February 2013

Es findet sich eine zunehmende Zahl an Studien, die den positiven Zusammenhang zwischen physischer Aktivität und kardiovaskulärer Fitness einerseits und kognitiven Fähigkeiten, geistiger Gesundheit und schulischen Leistungen andererseits thematisiert. In diesem Review werden Ergebnisse beschrieben, die eine Beziehung zwischen Fitness und Kognition bei Kindern herstellen. Dadurch wird die Annahme unterstützt, dass gesundheitlich relevante Verhaltensweisen einen Einfluss auf bestimmte Hirngewebe und neuronale Prozesse haben, die für akademische Leistungen verantwortlich sind. Des Weiteren werden Forschungsarbeiten vorgestellt, die kurzfristige Effekte einzelner Einheiten körperlicher Aktivität auf die kognitive und geistige Gesundheit sowie die schulische Leistung untersucht haben. Diese Ergebnisse haben Auswirkungen auf die kognitive Gesundheit und das Lernen sowie die generelle Atmosphäre im Klassenzimmer. Die Auswirkungen dieser Forschungsergebnisse zeigen sich während des Reifungsprozesses in einer Verbesserung der effizienten Funktionsfähigkeit als auch der schulischen Leistungsfähigkeit, so dass daraus eine Vielzahl an Vorteilen für die gesamte Lebensspanne entsteht. In einer Zeit, in der Kinder immer mehr sitzen und unfit werden, sind solche Daten wichtig, um das gesellschaftliche Gesundheitsproblem rückgängig zu machen.
Repeated Testing, Item Selection, and Relearning
Authors: de Jonge Mario , Tabbers Huib K.
Published: February 2013

In the present study we investigated the effect of repeated testing on item selection, retention, and delayed relearning of paired associates. Participants learned both related (easy) and unrelated (difficult) word pairs under conditions of repeated study and repeated testing. A retention test was given after both a 5-min and a 1-week interval. Following the 1-week retention test, participants received a relearning task. During the initial learning phase of the experiment, more related word pairs were successfully recalled on the practice tests compared to unrelated word pairs. Also, long-term retention benefits were found for items that were repeatedly tested compared to items that were repeatedly studied, regardless of item difficulty. The results suggest that the testing benefit following conditions of repeated testing cannot be attributed to mere item selection. Secondly, we found that delayed relearning was faster for previously restudied items compared to previously tested items. However, at the end of the relearning phase, repeated study and repeated testing 1 week prior to relearning resulted in comparable levels of recall performance. The results suggest that repeated testing can enhance delayed recall performance with little additional cost in terms of delayed relearning.
Microstructural Basis of Contusion Expansion in Traumatic Brain Injury: Insights from Diffusion Tensor Imaging
Authors: Newcombe Virginia FJ , Williams Guy B , Outtrim Joanne G , Chatfield Doris , Abate M Gulia , Geeraerts Thomas , Manktelow Anne , Room Hywel , Mariappen Leela , Hutchinson Peter J , Coles Jonathan P , Menon David K
Published: February 2013

Traumatic brain injury (TBI) is often exacerbated by events that lead to secondary brain injury, and represent potentially modifiable causes of mortality and morbidity. Diffusion tensor imaging was used to characterize tissue at-risk in a group of 35 patients scanned at a median of 50 hours after injury. Injury progression was assessed in a subset of 16 patients with two scans. All contusions within the first few days of injury showed a core of restricted diffusion, surrounded by an area of raised apparent diffusion coefficient (ADC). In addition to these two well-defined regions, a thinner rim of reduced ADC was observed surrounding the region of increased ADC in 91% of patients scanned within the first 3 days after injury. In patients who underwent serial imaging, the rim of ADC hypointensity was subsumed into the high ADC region as the contusion enlarged. Overall contusion enlargement tended to be more frequent with early lesions, but its extent was unrelated to the time of initial imaging, initial contusion size, or the presence of hemostatic abnormalities. This rim of hypointensity may characterize a region of microvascular failure resulting in cytotoxic edema, and may represent a ‘traumatic penumbra’ which may be rescued by effective therapy.
Prediction of hammerhead ribozyme intracellular activity with the catalytic core fingerprint
Authors: Gabryelska Marta Magdalena , Wyszko Eliza , Szymański Maciej , Popenda Mariusz , Barciszewski Jan
Published: February 2013

Hammerhead ribozyme is a versatile tool for down-regulation of gene expression in vivo. Owing to its small size and high activity, it is used as a model for RNA structure–function relationship studies. In the present paper we describe a new extended hammerhead ribozyme HH-2 with a tertiary stabilizing motif constructed on the basis of the tetraloop receptor sequence. This ribozyme is very active in living cells, but shows low activity in vitro. To understand it, we analysed tertiary structure models of substrate–ribozyme complexes. We calculated six unique catalytic core geometry parameters as distances and angles between particular atoms that we call the ribozyme fingerprint. A flanking sequence and tertiary motif change the geometry of the general base, general acid, nucleophile and leaving group. We found almost complete correlation between these parameters and the decrease of target gene expression in the cells. The tertiary structure model calculations allow us to predict ribozyme intracellular activity. Our approach could be widely adapted to characterize catalytic properties of other RNAs.
Density functionals for static, dynamical, and strong correlation
Authors: Becke Axel D.
Published: February 2013

In this work, our exact-exchange-based static + dynamical correlation density functional [A. D. Becke, J. Chem. Phys. 122, 064101 (2005)]10.1063/1.1844493 is generalized to include “strong” correlation, i.e., accurate computations on dissociating chemical systems without breaking space or spin symmetries and without using multi-determinantal reference states. Also, we introduce a strong-correlation benchmark set composed of space- and spin-symmetrized open-shell atoms on which the generalized functional is tested. Initial results are very promising.
Resistivity and thermopower of graphene made by chemical vapor deposition technique
Authors: Babichev A. V. , Gasumyants V. E. , Butko V. Y.
Published: February 2013

Understanding charge carrier transport mechanisms in graphene fabricated by chemical vapor deposition (CVD) is important for electronic and thermal applications. We report results of structural, low temperature resistivity, and thermopower measurements in approximately four atomic layer thick centimeter size graphene. A semiconducting temperature dependence of the resistivity and a metallic temperature dependence of the thermopower in the same samples have been observed. The obtained results imply that intergranular charge carrier scattering in CVD graphene plays a major role in the electrical transport and a minor role in the thermal transport.
Group-theoretical derivation of Aharonov-Bohm phase shifts
Authors: Hagen C. R.
Published: February 2013

The phase shifts of the Aharonov-Bohm effect are generally determined by means of the partial wave decomposition of the underlying Schrödinger equation. It is shown here that they readily emerge from an \documentclass[12pt]{minimal}\begin{document}$\mathfrak {o} (2,1)$\end{document}o(2,1) calculation of the energy levels employing an added harmonic oscillator potential which discretizes the spectrum.
Identification of the rainbowfish in Lake Eacham using DNA sequencing
Authors: Brown Culum , Aksoy Yagiz , Varinli Hilal , Gillings Michael
Published: February 2013

The Lake Eacham rainbowfish (Melanotaenia eachamensis) was once thought to be confined to its type locality within the Lake Eacham World Heritage National Park. M. eachamensis disappeared from the lake following the translocation of several species into the lake and the species was pronounced extinct in the wild in 1987. In a 2007 survey we noticed that rainbowfish were present in the lake once again. We used a molecular marker to identify these fish and the likely source population. Analysis of the D-loop region of mitochondrial DNA revealed that the species now present in the lake is Melanotaenia splendida, and is most closely related to several M. splendida populations in the immediate vicinity. Here we explore a range of scenarios that may have led to this colonisation event and highlight the dangers associated with translocation.
The protomap is propagated to cortical plate neurons through an
Eomes
-dependent intermediate map
Authors: Elsen Gina E. , Hodge Rebecca D. , Bedogni Francesco , Daza Ray A. M. , Nelson Branden R. , Shiba Naoko , Reiner Steven L. , Hevner Robert F.
Published: February 2013

The cortical area map is initially patterned by transcription factor (TF) gradients in the neocortical primordium, which define a “protomap” in the embryonic ventricular zone (VZ). However, mechanisms that propagate regional identity from VZ progenitors to cortical plate (CP) neurons are unknown. Here we show that the VZ, subventricular zone (SVZ), and CP contain distinct molecular maps of regional identity, reflecting different gene expression gradients in radial glia progenitors, intermediate progenitors, and projection neurons, respectively. The “intermediate map” in the SVZ is modulated by Eomes (also known as Tbr2), a T-box TF.
Eomes
inactivation caused rostrocaudal shifts in SVZ and CP gene expression, with loss of corticospinal axons and gain of corticotectal projections. These findings suggest that cortical areas and connections are shaped by sequential maps of regional identity, propagated by the Pax6 → Eomes → Tbr1 TF cascade. In humans,
PAX6
,
EOMES
, and
TBR1
have been linked to intellectual disability and autism.
Engineering furfural tolerance in
Escherichia coli
improves the fermentation of lignocellulosic sugars into renewable chemicals
Authors: Wang Xuan , Yomano Lorraine P. , Lee James Y. , York Sean W. , Zheng Huabao , Mullinnix Michael T. , Shanmugam K. T. , Ingram Lonnie O.
Published: February 2013

Pretreatments such as dilute acid at elevated temperature are effective for the hydrolysis of pentose polymers in hemicellulose and also increase the access of enzymes to cellulose fibers. However, the fermentation of resulting syrups is hindered by minor reaction products such as furfural from pentose dehydration. To mitigate this problem, four genetic traits have been identified that increase furfural tolerance in ethanol-producing
Escherichia coli
LY180 (strain W derivative): increased expression of
fucO
,
ucpA
, or
pntAB
and deletion of
yqhD
. Plasmids and integrated strains were used to characterize epistatic interactions among traits and to identify the most effective combinations. Furfural resistance traits were subsequently integrated into the chromosome of LY180 to construct strain XW129 (LY180 Δ
yqhD ackA::
P

yadC
′

fucO-ucpA
) for ethanol. This same combination of traits was also constructed in succinate biocatalysts (
Escherichia coli
strain C derivatives) and found to increase furfural tolerance. Strains engineered for resistance to furfural were also more resistant to the mixture of inhibitors in hemicellulose hydrolysates, confirming the importance of furfural as an inhibitory component. With resistant biocatalysts, product yields (ethanol and succinate) from hemicellulose syrups were equal to control fermentations in laboratory media without inhibitors. The combination of genetic traits identified for the production of ethanol (strain W derivative) and succinate (strain C derivative) may prove useful for other renewable chemicals from lignocellulosic sugars.
Large α-synuclein oligomers inhibit neuronal SNARE-mediated vesicle docking
Authors: Choi Bong-Kyu , Choi Mal-Gi , Kim Jae-Yeol , Yang Yoosoo , Lai Ying , Kweon Dae-Hyuk , Lee Nam Ki , Shin Yeon-Kyun
Published: February 2013

Parkinson disease and dementia with Lewy bodies are featured with the formation of Lewy bodies composed mostly of α-synuclein (α-Syn) in the brain. Although evidence indicates that the large oligomeric or protofibril forms of α-Syn are neurotoxic agents, the detailed mechanisms of the toxic functions of the oligomers remain unclear. Here, we show that large α-Syn oligomers efficiently inhibit neuronal SNARE-mediated vesicle lipid mixing. Large α-Syn oligomers preferentially bind to the N-terminal domain of a vesicular SNARE protein, synaptobrevin-2, which blocks SNARE-mediated lipid mixing by preventing SNARE complex formation. In sharp contrast, the α-Syn monomer has a negligible effect on lipid mixing even with a 30-fold excess compared with the case of large α-Syn oligomers. Thus, the results suggest that large α-Syn oligomers function as inhibitors of dopamine release, which thus provides a clue, at the molecular level, to their neurotoxicity.
Flavodiiron proteins Flv1 and Flv3 enable cyanobacterial growth and photosynthesis under fluctuating light
Authors: Allahverdiyeva Yagut , Mustila Henna , Ermakova Maria , Bersanini Luca , Richaud Pierre , Ajlani Ghada , Battchikova Natalia , Cournac Laurent , Aro Eva-Mari
Published: February 2013

Cyanobacterial flavodiiron proteins (FDPs; A-type flavoprotein, Flv) comprise, besides the β-lactamase–like and flavodoxin domains typical for all FDPs, an extra NAD(P)H:flavin oxidoreductase module and thus differ from FDPs in other Bacteria and Archaea.
Synechocystis
sp. PCC 6803 has four genes encoding the FDPs. Flv1 and Flv3 function as an NAD(P)H:oxygen oxidoreductase, donating electrons directly to O
2
without production of reactive oxygen species. Here we show that the Flv1 and Flv3 proteins are crucial for cyanobacteria under fluctuating light, a typical light condition in aquatic environments. Under constant-light conditions, regardless of light intensity, the Flv1 and Flv3 proteins are dispensable. In contrast, under fluctuating light conditions, the growth and photosynthesis of the Δ
flv1(A)
and/or Δ
flv3(A)
mutants of
Synechocystis
sp. PCC 6803 and
Anabaena
sp. PCC 7120 become arrested, resulting in cell death in the most severe cases. This reaction is mainly caused by malfunction of photosystem I and oxidative damage induced by reactive oxygen species generated during abrupt short-term increases in light intensity. Unlike higher plants that lack the FDPs and use the Proton Gradient Regulation 5 to safeguard photosystem I, the cyanobacterial homolog of Proton Gradient Regulation 5 is shown not to be crucial for growth under fluctuating light. Instead, the unique Flv1/Flv3 heterodimer maintains the redox balance of the electron transfer chain in cyanobacteria and provides protection for photosystem I under fluctuating growth light. Evolution of unique cyanobacterial FDPs is discussed as a prerequisite for the development of oxygenic photosynthesis.