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1973/74 erfolgte eine umfassende Umstrukturierung der Physikalischen Anstalt. Die vormals eigenständigen Teilinstitute Physikalisches Institut, Institut für Angewandte Physik und Institut für Theoretische Physik wurden im Institut für Physik vereint.
Gleichzeitig mit der Umstrukturierung erfolgten drei Neuberufungen: Gerhard Backenstoss, Harry Thomas und Hans-Joachim Güntherodt. Mit diesen Ernennungen war die Anzahl der Lehrstühle auf fünf angestiegen: Kurt Alder als theoretischer Physiker sowie Eugen Baumgartner und Gerhard Backenstoss als Experimentalphysiker forschten zu Themen der Kern- und Teilchenphysik, Harry Thomas (Theorie) und Hans-Joachim Güntherodt (Experiment) in der Festkörperphysik, die sich als eigenes Forschungsgebiet erst in den Jahren nach dem zweiten Weltkrieg formiert hatte. Zwar wurden schon seit Jahrhunderten Experimente durchgeführt, die man rückblickend zur Festkörperphysik zählt, jedoch entwickelte sich unter den Festkörperphysikern erst um 1950 ein Selbstverständnis, dass man innerhalb der Physik einer eigenen Disziplin angehörte.
Die erste Frau auf einem Lehrstuhl für Physik in Basel
In der Festkörperphysik wurde mit Iris Zschokke-Gränacher auch die erste Professorin für Physik berufen, und nach dem Tod Baldingers 1971 die Leitung des Instituts für Angewandte Physik übertragen. Neben ihrer Forschung zu elektrischen und optischen Eigenschaften organischer Halbleiter und zur Nichtlinearen Optik war sie ausgesprochen aktiv in der Wissenschaftsverwaltung und -politik. Sie präsidierte von 1988 bis 1992 die «Koordinationskommision für Universitätsfragen» des Erziehungsdepartements Basel-Stadt. Nach ihrer Emeritierung 1995 war sie weiterhin tätig, z.B. als Mitglied des ETH-Rats.
Das Rastertunnelmikroskop. Neue Perspektiven für die Festkörperphysik
Die Zunahme des physikalischen Wissens in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts war so beträchtlich, dass es nun kaum einem Physiker mehr möglich war, die gesamte theoretische Grundlage zu überblicken und in so unterschiedlichen Gebieten zur aktuellen Forschung beizutragen, wie dies Forscher wie Eduard Hagenbach-Bischoff noch getan hatten. Zwei Spezialgebiete hatten Anfang der 1970er Jahre besonders grosse Bedeutung erlangt, wie sich anhand der Anzahl veröffentlichter Fachartikel nachweisen lässt: die Kern- und Elementarteilchenphysik, und die Festkörperphysik. Die Erfindung des Rastertunnelmikroskops (Scanning Tunnelling Microscope STM) 1981 durch Wissenschaftler des IBM Forschungslabors in Zürich öffnete ein neues Fenster für die Festkörperphysik: zum ersten Mal konnte man einzelne Atome auf einer Probenoberfläche sichtbar machen. Mit Hilfe eines Tunnelstroms, der zwischen der Oberfläche einer Probe und der abtastenden Nadel des STM fliesst, kann ein «Höhenprofil» der Probe erstellt werden. Das STM ist in der Lage, Strukturen von der Grösse von einem Nanometer aufzulösen. Diese Grösseneinheit wurde namensgebend für eine Forschungsrichtung, die in den kommenden Jahrzehnten an der Universität Basel eine grosse Rolle spielen sollte: die Nanowissenschaften. Einer der Beteiligten an der Entwicklung des STMs und des Atomkraftmikroskops (Atomic Force Microscope AFM), Christoph Gerber, forscht seit 2004 am Departement Physik. Die enge Verbindung des Departements zum IBM Forschungslabor in Zürich zeigt sich auch darin, dass renommierte Wissenschaftler des IBM Forschungslabors wie Alexis Baratoff und Dieter Pohl ihre Karriere am Departement Physik fortsetzten.
Hans-Joachim Güntherodt, der vorher wegweisende Arbeiten zu flüssigen und amorphen Metallen veröffentlicht hatte, erkannte sofort die Bedeutung der Rastertunnelmikroskopie und etablierte sich sehr bald als Experte für die Anwendung der neuen Methode und daraus entwickelter Verfahren. Er nutzte die neue Rastertunnel-Technologie um nanometer-grosse Strukturen auf Oberflächen aufzuprägen und so Phänomene auf der Nano-Skala zu untersuchen. Neben seiner vielfältigen Forschung hatte Güntherodt verschiedenen Ämter der Universität Basel inne. Von 1994 bis 1996 war er Rektor, von 1996 bis 1998 Prorektor für Forschung. Der Festkörper-Theoretiker Harry Thomas führte Berechnungen durch, die zur Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter im Jahre 1986 beitrugen. Die Verlagerung des Schwerpunkts hin zur zukunfts- und anwendungsorientierten Festkörper- und Nanophysik verfestigte sich in den 1990er Jahren. 1992 wurde Peter Oelhafen auf eine Professur mit dem Schwerpunkt Photoelektronenspektroskopie zur Analyse von Festkörpern berufen. Bereits 1978 hatte er gemeinsam mit Güntherodt eine Forschungsgruppe zu diesem Themengebiet aufgebaut. Nach den Rücktritten von Alder 1992 und Backenstoss 1993 wurden die beiden Professuren für Kern- und Elementarteilchenphysik nicht innerhalb des gleichen Fachgebiets neu besetzt.
Aus der Theorieprofessur Alders entstand ein Lehrstuhl für Forschung im Überschneidungsbereich von Kernphysik und Astrophysik, der 1994 mit Friedrich-Karl Thielemann besetzt wurde. Ein Schwerpunkt seiner Forschung ist der Beitrag der Nukleosynthese in stellaren Explosionen wie z.B. Supernovae und Gamma-Ray Bursts zur Entwicklung von Galaxien. Für seine Forschungsleistungen wurde er 2008 mit dem Bethe-Preis der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft ausgezeichnet. Gemeinsam mit Trautmann und Krusche deckt er den kleineren Departementsschwerpunkt “Astro-Teilchenphysik” ab. Im Rahmen des internationalen Graduiertenkollegs “Hadronen im Vakuum, in Kernen und Sternen” wird die Basler Astro-Teilchenphysik zusammen mit Forschungsgruppen der Universitäten Graz und Tübingen seit 2001 gefördert. Die Professur von Backenstoss hingegen wurde in die Festkörperphysik umgewidmet und 1995 mit Christian Schönenberger besetzt. Schönenberger untersucht in seinen Experimenten den Ladungstransport in neuartigen Strukturen wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen und organischen Molekülen.
Auf die Theorieprofessur von Thomas wurde 1996 der Festkörperphysiker Daniel Loss berufen, dessen Arbeitsgebiet phasenkohärente Quanten-Phänomene in mesoskopischen Vielteilchensystemen umfasst. Einen Teil seiner Forschung widmet Loss der theoretischen Grundlage von Quantencomputern. Zusammen mit David DiVincenzo schlug er 1998 in einer Publikation einen Quantencomputer vor, der Elektronenspins als Qubits in Quantenpunkten verwendet. Diese Publikation (“Quantum Computation with Quantum Dots”, Phys. Rev. A 57, 120 (1998)) ist noch immer die absolut meistzitierte Publikation der Universität Basel. An der Umsetzung dieses Vorschlags wird seither weltweit gearbeitet. 2005 wurde Daniel Loss für seine wissenschaftlichen Leistungen mit dem Humboldt-Forschungspreis ausgezeichnet. Ebenfalls auf dem Gebiet der Theoretischen Festkörperphysik arbeitet Christoph Bruder, der 1998 eine ausserordentliche und 2004 eine ordentliche Professur übernahm. Er erforscht Transportphänomene in Nanostrukturen wie z.B. die elektrische Leitung durch kleine supraleitenden Metallinseln. 1997 wurde eine weitere Professur innerhalb der Experimentellen Festkörperphysik geschaffen und mit Ernst Meyer besetzt, dessen Arbeitsschwerpunkt auf der Anwendung und Weiterentwicklung der Rastersonden-Mikroskopie liegt. Eine weitere Forschungsgruppe zu Rastersonden wird von Hans Hug geleitet. Als Verantwortlicher für die Nanotechnologie bei der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) ist er das Bindeglied zwischen dem Departement und der EMPA.Schliesslich übernahm Stefan Goedecker 2003 ein Extraordinariat für rechnergestützte Physik. Er entwickelt Algorithmen zur Modellierung der elektronische Eigenschaften von Festkörpern mit interdisziplinärer Anwendung.
Das Ende der Astronomie in Basel
1995 wurden die Institute für Physik und Astronomie zu einem Departement zusammengelegt. Die Gründung des Astronomischen Instituts geht auf das Jahr 1894 zurück. Anfangs stellten Positionsastronomie und Stellarstatistik die Schwerpunkte der astronomischen Forschung in Basel dar. Unter dem langjährigen Institutsvorsteher Wilhelm Becker konzentrierte sich in den 1950er bis 70er Jahren die Forschung vor allem auf die Struktur der Milchstrasse und auf galaktische Sternhaufen. Beckers Nachfolger, Gustav Andreas Tammann, erweiterte 1977 das Forschungsspektrum um Extragalaktik und Kosmologie. Tammann beschäftigte sich mit der Ausdehnung des Universums und lieferte wegweisende Ideen und Beobachtungen zur Bestimmung des Hubble-Parameters, der die Expansionsrate des Universums beschreibt. Für seine Arbeit wurde er 2005 mit der Karl-Schwarzschild-Medaille der Deutschen Astronomischen Gesellschaft ausgezeichnet. Die 2002 berufene Nachfolgerin von Gustav Tammann, Eva Grebel, konzentrierte ihre Forschung vor allem auf die Galaxienentwicklung und galaktische Astronomie/Nahfeldkosmologie. 2006 erhielt Grebel Rufe auf Astronomie-Lehrstühle in Deutschland und nahm 2007 ein Angebot der Universität Heidelberg an.
Nanowissenschaften. Exzellente Zukunftsperspektiven
Seit etwa 10 Jahren bilden die Nanowissenschaften den Hauptschwerpunkt der Forschung des Departements Physik. Die seit 1981 zugänglich gewordene Nanometer-Skala ist nicht nur von Interesse für Physiker, sondern auch Mediziner, Chemiker, Biologen und Materialwissenschaftler wenden sich den Vorgängen zu, die vom Verhalten einzelner Atome oder Moleküle geprägt werden. Die Grenzen zwischen den einzelnen Wissenschaften werden durchlässig, und interdisziplinäre Kooperationen führen zu neuen Erkenntnissen. Auf dem Gebiet der Rastersondenmethoden arbeiten Basler Physiker an gemeinsamen Projekten mit dem Biozentrum der Universität Basel. Die Universität Basel hatte sich während der neunziger Jahre als eine der führenden Institutionen in den Nanowissenschaften etabliert. Als 1999 der Schweizerische Nationalfonds zum ersten Mal das Programm «Nationale Forschungsschwerpunkte» (NFS) oder «National Centres of Competence in Research» (NCCR) zur Stärkung der Forschung in der Schweiz ausschrieb, beteiligten sich die Basler Physiker unter der Führung Hans-Joachim Güntherodts. Der Antrag auf Förderung wurde von einem Netzwerk von acht Schweizer Hochschul- und Forschungsinstituten sowie Industriepartnern unter der Führung der Basler Physik eingereicht. Er erfüllte die verlangten Kriterien Exzellenz, Interdisziplinarität und Innovation und wurde im Dezember 2000 als einer von schweizweit 20 Anträgen zur Förderung ausgewählt. Der NFS Nanowissenschaften war der erste und lange Zeit der einzige NFS der Universität Basel. Er kombiniert in verschiedenen Bereichen Grundlagenforschung auf der Nanoskala mit anwendungsbezogenen Projekten und stellt inzwischen einen eigenen Forschungsschwerpunkt der Universität Basel dar.
Die grosse Attraktivität der Basler Nanowissenschaften zeigt sich auch darin, dass mehrere Mitglieder des Departements Rufe auf Lehrstühle an renommierten Universitäten erhielten und sich entschlossen, in Basel zu bleiben. Hier ausgebildete Nachwuchswissenschaftler geniessen einen sehr guten Ruf und werden regelmässig auf Professuren in aller Welt berufen. Neben der Forschung in den Nanowissenschaften engagiert sich das Departement Physik auf diesem Gebiet auch in der Lehre. 2002 nahmen die ersten Studenten das Studium im neuen Bachelor- und Masterstudiengang “Nanowissenschaften” auf. Ebenso wie die Forschung ist auch der Studiengang interdisziplinär: die Studenten besuchen Veranstaltungen aus Physik, Chemie und Biologie, erhalten Einblicke in ein breites Spektrum von Themen und können sich gleichzeitig in einer Fachrichtung spezialisieren. Dieser Studiengang ist der erste seiner Art in der Schweiz und erfreut sich grosser Beliebtheit mit einer kontinuierlich hohen Zahl von ca. 40 Studienanfängern pro Jahr. Um die Aktivitäten im Bereich der Quantenphysik und des Quantum Computing an der Universität Basel zu bündeln, wurde 2005 das “Basel Center for Quantum Computing and Quantum Coherence” (QC2) als eine der weltweit führenden Institutionen auf diesem Forschungsgebiet gegründet. Vorsteher dieses Centers ist seit dessen Gründung Daniel Loss.
Seit 2009 finanziert der Schweizerische Nationalfonds ein QC2-Besucherprogramm, an dem alle Departementsmitglieder aus dem Gebiet der Festkörperphysik massgeblich beteiligt sind und das es erlaubt, führende Experten zu wissenschaftlicher Zusammenarbeit für längere Gastaufenthalte nach Basel einzuladen. 2006 wurde das Swiss Nanoscience Institute (SNI) ins Leben gerufen, das aus dem NFS Nanowissenschaften hervorging und durch ein bedeutendes finanzielles Engagement des Kantons Aargau gefördert wird. Die Leitung haben seitdem Christian Schönenberger und Daniel Loss inne. Das SNI umfasst sechs Schwerpunkte mit insgesamt ca. 200 Wissenschaftlern. Diese sechs Schwerpunktmodule entsprechen verschiedenen Forschungsprojekten, beispielsweise “Molekulare Elektronik”, “Quantencomputer und Quantenkohärenz” und “Atomare und Molekulare Nanosysteme”. Die Zusammenarbeit zwischen dem Kanton Aargau und der Universität Basel ist im Argovia-Netzwerk festgeschrieben. Die finanziellen Mittel aus dem Argovia-Netzwerk fliessen zum grossen Teil in das SNI und werden in der Physik unter anderem für die Argovia-Professur verwendet, auf die 2008 Martino Poggio als Assistenz-Professor berufen wurde. Mit Dominik Zumbühl gewann die Universität Basel 2006 einen weiteren aufstrebenden Festkörperphysiker als Assistenz-Professor, dessen experimentelle Forschung zur Quanteninformation seit 2008 vom European Research Council gefördert wird.
Experimentelle Infrastruktur
Physikalische Forschung benötigt modernste experimentelle Infrastruktur. Die experimentellen Gruppen des Departements Physik sind in dieser Hinsicht hervorragend ausgestattet. Die mechanischen und elektronischen Werkstätten sind dabei von zentraler Bedeutung, weil sie Apparate, Instrumente und Steuerungen bauen, die an den Grenzen des Machbaren und in dieser Form kommerziell nicht erhältlich sind. Viele der Experimente, in denen Quanteneffekte untersucht werden, müssen bei tiefen Temperaturen im Bereich von Millikelvin ausgeführt werden. Das Departement verfügt deshalb über einen Heliumverflüssiger, der das zum Betrieb der Kühlschränke (sogenannter Kryostaten) nötige Kühlmittel liefert. Die Experimentatoren betreiben mehr als ein halbes Dutzend dieser Kryostaten. In einigen von ihnen werden Halbleiterstrukturen auf Temperaturen abgekühlt, die bis jetzt in der Schweiz (vermutlich sogar weltweit) unerreicht waren. Zur Ausstattung gehören ebenfalls modernste Elektronenmikroskope und ein Reinraum, in dem Nanostrukturen hergestellt werden können. Im Bereich der Rastersondenmethoden verfügt das Departement über eine Vielzahl von - teilweise in Basel entwickelten und in den Werkstätten gebauten - Rastertunnelmikroskopen, Rasterkraftmikroskopen, und Magnetkraftmikroskopen. Die mit Rastersondenmikroskopen betriebene Oberflächenphysik muss typischerweise im Vakuum stattfinden, damit reine Oberflächen untersucht werden können, und auch mit der dazu nötigen Vakuumtechnologie ist das Departement hervorragend ausgestattet.
Die Physik in der Öffentlichkeit
Bereits seit vielen Jahrzehnten unterrichten Professoren des Departements Physik an der Volkshochschule zu physikalischen Themen und bieten der Bevölkerung Basels einen Einblick in die aktuellen Fragen der Physik. Seit Januar 2008 findet in regelmässigen Abständen die Vortragsreihe “Saturday Morning Physics” statt, um ein breites Publikum über die laufende Forschung zu informieren und Schülerinnen und Schüler für das Studium der Physik zu begeistern. Die Basler Physik blickt zum Universitätsjubiläum mit Stolz auf ihre mehr als 300jährige Geschichte zurück. Das Departement Physik zählt zu Beginn des 21. Jahrhunderts forschungsmässig zur Weltspitze, wie bibliometrische Analysen (citation ranking) eindrücklich belegen, und zählt in den Fachgebieten Quantenphysik, Nanowissenschaften, und Astro-Teilchenphysik zu den international führenden Institutionen. Diese hervorragende Stellung wurde durch internationale Review Panels des Schweizerischen Nationalfonds immer wieder bestätigt. Die Physik hat grundlegenden Theorien geschaffen, auf die sich andere Naturwissenschaften stützen. Physikalische Arbeitsmethoden und Beobachtungsinstrumente werden von Astronomen, Lebenswissenschaftlern und Ingenieuren verwendet. Während ihres Studium lernen angehende Physiker, die komplexen Phänomene der Natur auf wenige, fundamentale Gesetze zurückzuführen. Die dabei erworbene kritische und selbstständige Denkweise hilft ihnen dabei, Probleme in den verschiedensten Bereichen effizient, kreativ und oftmals unkonventionell zu lösen. Physikerinnen und Physiker sind in sehr unterschiedlichen Sparten tätig: in der Maschinen-, Uhren-, Hightech-, Elektro- und chemischen Industrie, in Software- und Internetfirmen, bei Banken, Versicherungen und Unternehmensberatungen, und natürlich auch in Forschungsinstituten und als Lehrkräfte an Gymnasien und Hochschulen.
Das Ziel der Lehre am Departement Physik ist, den Studenten eine grundlegende und vielfältige Ausbildung geben und ihnen den erfolgreichen Berufseinstieg in das breite Spektrum möglicher Tätigkeiten zu ermöglichen. Die Forschungsergebnisse von Physikern haben immer wieder zu Revisionen des menschlichen Weltbilds (Relativitätstheorie, Quantenmechanik) und zu technologischen Durchbrüchen (Transistor, Laser, MRI) geführt, und diese Entwicklung geht ungebremst weiter. Wird es gelingen, Quantenphänomene auf makroskopischen Längenskalen nutzbar zu machen, zum Beispiel in Form eines Quantencomputers? Die Forscherinnnen und Forscher am Departement Physik arbeiten an vorderster Front an dieser und an verwandten Fragen mit.