The Faculty of Physics 9783205202295, 9783205201106

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Technik für Menschen 200 Jahre Technische Universität Wien, herausgegeben von Sabine Seidler Band 9

Gerald Badurek (Hg.)

DIE FAKULTÄT FÜR PHYSIK THE FACULT Y OF PHYSICS

2015 BÖHLAU VERLAG WIEN · KÖLN · WEIMAR

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://portal.dnb.de abrufbar. Umschlagabbildung: Atome, gekoppelt an Glasfasern, könnten die Basis für ein weltumspannendes Kommunikationsnetz der Zukunft sein. © TU Wien © 2015 by Böhlau Verlag Ges.m.b.H & Co.KG, Wien Köln Weimar Wiesingerstraße 1, 1010 Wien, www.boehlau-verlag.com Alle Rechte vorbehalten. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt.Jede Verwendung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist unzulässig. Übersetzung: Word Up!, LLC Korrektorat: Kathrin Wojtowicz, Wien Graphisches Konzept: Büro mit Aussicht Umschlaggestaltung: Michael Haderer, Wien Satz: Michael Rauscher, Wien Druck und Bindung: Theiss, St. Stefan Gedruckt auf chlor- und säurefreiem Papier Printed in the EU ISBN 978-3-205-20110-6

INHALTSVERZEICHNIS TABLE OF CONTENT VORWORT DER REKTORIN FOREWORD FROM THE RECTOR

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VORWORT DES DEKANS FOREWORD FROM THE DEAN

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Die Fakultät für Physik The Faculty of Physics Helmut Rauch DIE FAKULTÄT FÜR PHYSIK THE FACULTY OF PHYSICS

Andrei Pimenov et al. DOKTORATSKOLLEGS DOCTORAL PROGRAMMES

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Gerhard J. Schütz „NanoCell“: Neue Technologien für das Studium zellulärer Nanostrukturen “NanoCell”: New Technologies for the study of cellular nanostructures 31 13

Gerhard Kahl PHYSIK AN DER TU WIEN IM WANDEL DER ZEIT THE HISTORY OF PHYSICS AT THE TU WIEN 17 Helmut Leeb FORSCHUNGSGELEITETE LEHRE RESEARCH-DRIVEN TEACHING

Thorsten Schumm „Komplexe Quantensysteme“ (CoQuS): Ausbildung in Quantenforschung “Complex Quantum Systems” (CoQuS): Education in quantum research

Physik der Materie Physics of Matter Ernst Bauer, Silke Bühler-Paschen, Josef Fidler, Dieter Süss „ADVANCED“ MATERIALIEN UND ­O BERFLÄCHEN ADVANCED MATERIALS AND SURFACES

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Ernst Bauer, Silke Bühler-Paschen Thermoelektrika Thermoelectrics

35

Josef Fidler Advanced Magnets Advanced Magnets

37

Dieter Süss Computational Physics: Zukünftige ­ magnetische Sensoren und Materialien Computational Physics: Magnetic sensors and materials of the future

39

23

27

Andrei Pimenov „Solids4Fun“: Innovation durch Teamwork “Solids4Fun”: Innovation Through Teamwork 27 Anton Rebhan „Particles and Interactions“: Kritische Masse für die Erforschung fundamentaler Wechselwirkungen “Particles & Interactions”: Critical mass for the research on fundamental interactions 28

Inhaltsverzeichnis  | 5

Ulrike Diebold OBERFLÄCHENPHYSIK – DAS TOR ZUM FESTKÖRPER UND DER WEG ZU ANWENDUNGEN SURFACE PHYSICS – THE GATEWAY TO SOLIDS AND THE PATH TO APPLICATION 43 Joachim Burgdörfer, Stefan Rotter PHYSIK DER LICHT-MATERIE WECHSELWIRKUNG THE PHYSICS OF LIGHT-MATTER INTERACTION 49 Gerhard J. Schütz, Mario Brameshuber HOCHAUFGELÖSTE MIKROSKOPIE DER ­Z ELLULÄREN PLASMAMEMBRAN SUPER-RESOLUTION MICROSCOPY OF THE ­C ELLULAR PLASMA MEMBRANE

53

Friedrich Aumayr, Michael Eisterer, Helmut Leeb, Harald Weber FUSIONSFORSCHUNG AN DER TU WIEN FUSION RESEARCH AT THE TU WIEN

61

Thorsten Schumm, Johannes Majer, Peter Rabl, Arno Rauschenbeutel, Hannes-Jörg Schmiedmayer QUANTENPHYSIK UND QUANTENTECHNOLOGIE QUANTUM PHYSICS AND QUANTUM TECHNOLOGY 67 Gerald Badurek, Stephan Sponar QUANTENPHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN­ EXPERIMENTE MIT NEUTRONEN FUNDAMENTAL QUANTUM PHYSICS ­E XPERIMENTS WITH NEUTRONS

73

Hartmut Abele et al. SPEZIALFORSCHUNGS­B EREICHE SPECIAL RESEARCH AREAS

81

6 | Inhaltsverzeichnis

Hartmut Abele Das DFG & FWF Schwerpunktprogramm ­„Präzisionsexperimente zur Teilchen- und Astrophysik mit kalten und ultrakalten Neutronen“ The DFG & FWF Priority Programme “Precision Experiments on Particle and Astrophysics with Cold and Ultracold Neutrons” 81 Karsten Held, Gerhard Kahl, Florian Aigner Das „Vienna Computational Materials Laboratory” (VICOM) The “Vienna Computational Materials Laboratory“ (VICOM)

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Gerhard Kahl Der Wissenschaftsknoten „Danube Center for ­Atomistic Modelling“ (DaCAM) The Science Node “Danube Center for Atomistic Modelling” (DaCAM) 84 Peter Mohn Das „Center for Computational Materials Science” (CMS) The “Center for Computational Materials Science” (CMS)

87

Thorsten Schumm Das „Vienna Center for Quantum Science and Technology“ (VCQ) The “Vienna Center for Quantum Science and Technology” (VCQ)

90

Thorsten Schumm Der Spezialforschungsbereich „Foundations and Applications of Quantum Science and Technology” (FoQuS) “Foundations and Applications of Quantum ­Science and Technology” (FoQuS) 91

Physikalische Technologie Physical Technology Martin Gröschl et al. TECHNISCHE ANWENDUNGEN IN DER AKUSTIK TECHNICAL APPLICATIONS IN ACOUSTICS

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Martin Gröschl Die Bogenstreichmaschine The Bowing Machine

93

Martin Gröschl, Ewald Benes Ultraschallfiltration Ultrasonic Filtration

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Erwin Jericha Ultrakleinwinkelstreuung von Neutronen Ultra-Small-Angle Neutron Scattering Georg Steinhauser Radiochemie Radiochemistry Hans Sterba Archäometrie Archaeometry Herbert Störi Tribologie Tribology

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Michael Zawisky Neutronenradiographie und -Tomographie Neutron Radiography and Tomography

116

Walid Hetaba et al.

Stefan Rotter „Die perfekte Welle“ “The Perfect Wave” 97 Erwin Jericha et al. MATERIAL- UND OBERFLÄCHENANALYTIK MATERIALS AND SURFACE ANALYSIS

Christina Streli, Peter Wobrauschek Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie X-Ray Fluorescence Spectroscopy

BESONDERE GERÄTE UND EINRICHTUNGEN SPECIAL INSTRUMENTS AND EQUIPMENT 119 Walid Hetaba Die Transmissionselektronenmikroskopie an der TU Wien Transmission Electron Microscopy at the TU Wien

119

Mario Villa Der Triga Mark II Reaktor The Triga Mark II Reactor

122

Michael Reissner, Walter Steiner Die Tieftemperaturanlagen an der TU Wien Low Temperature Facilities at the TU Wien

125

99

99 Herwig Michor, Roland Grössinger, Herbert Sassik AUSTROMAG AUSTROMAG 127 103 Andrey Prokofiev, Silke Bühler-Paschen Einkristallzucht Single Crystal Growth

129

Herbert Störi Das Projekt Vienna Scientific Cluster (VSC) The Vienna Scientific Cluster (VSC) Project

130

Silke Bühler-Paschen Das Vienna Microkelvin Laboratory The Vienna Microkelvin Laboratory

132

108

110

Inhaltsverzeichnis  | 7

Gerald Badurek Medizinische Strahlenphysik Medical Radiation Physics

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Die Bausteine der Materie und deren Wechselwirkungen The Building Blocks of Matter and their Interactions Helmut Leeb, Daniel Grumiller, Anton Rebhan, Jochen Schieck DIE SUCHE NACH DEM KLEINSTEN: KERN- UND TEILCHENPHYSIK THE SEARCH FOR THE SMALLEST: NUCLEAR AND PARTICLE PHYSICS 137

8 | Inhaltsverzeichnis

Hartmut Abele PHYSIK JENSEITS DES STANDARDMODELLS MIT KALTEN UND ULTRAKALTEN NEUTRONEN PHYSICS BEYOND THE STANDARD MODEL WITH COLD AND ULTRA-COLD NEUTRONS 149 VERZEICHNIS DER AUTORINNEN UND AUTOREN INDEX OF AUTHORS

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BILDNACHWEIS PHOTO CREDITS

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VORWORT DER REKTORIN FOREWORD FROM THE RECTOR Die Technische Universität Wien, gegründet am 6. November 1815 als k. k. polytechnisches Institut, feiert ihren 200. Geburtstag. Ihre institutionellen Wurzeln liegen im Bereich der militärischen und gewerblich-technischen Fachschulen, die in ganz Europa seit dem Beginn des 18. Jahrhunderts entstanden. Hintergrund dieser Neugründungen war ein wachsender Bedarf der staatlichen Verwaltungen, des Militärs und der Wirtschaft an Fachkräften mit technisch-naturwissenschaftlicher Ausbildung. Heute sind wir eine moderne Forschungsuniversität. Mehr als 4.500 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten, forschen und lehren an Österreichs größter naturwissenschaftlich-technischer Forschungs- und Bildungseinrichtung. Voraussetzung für eine weiterhin erfolgreiche Weiterentwicklung der TU im Spannungsfeld von Forschung, Lehre und Innovation ist ein Forschungsumfeld, das qualitativ hochwertige Grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung gleichermaßen fördert. Diese Ausgewogenheit, fokussiert in fünf Forschungsschwerpunkten, ist aktuell unser Erfolgsrezept. Die Bedeutung der Physik für die technische Ausbildung ist bereits in der Verfassung des k.k. polytechnischen Instituts umrissen. Von Beginn an stand die Fachrichtung Physik im Wettbewerb mit der Physik an der Universität Wien. Der Emanzipationsprozess der „jungen Physiker“ des k.k. polytechnischen Instituts und später der Technischen Hochschule bis hin zur heutigen Technischen Universität ist gelungen. Wissenschaftliche Exzellenz und erstklassige forschungsgeleitete Lehre garantieren Kooperation und Wettbewerb auf Augenhöhe. Sabine Seidler Wien, im September 2015

The TU Wien, founded on 6 November 1815 as the k.k. polytechnisches Institut (Imperial Royal Polytechnic Institute), is celebrating its 200th anniversary. The roots of the institution are the military and commercial-technical vocational schools that have existed across Europe since the beginning of the 18th century. These schools were founded to address the growing need in public administration, the military, and economics for skilled workers with an educational background in technology and the natural sciences. Today, the TU Wien is a modern research university. More than 4,500 employees work, research, and teach at Austria’s largest institution for research and education in the natural sciences and engineering. A prerequisite for the continued success of the TU Wien’s further development in the fields of research, teaching, and innovation is a research environment that equally encourages high-quality fundamental and application-oriented research. This balance, focused in five main research areas, is our current recipe for success. The importance of physics for a technological education was already emphasised in the charter of the Imperial Royal Polytechnic Institute. From the very beginning, the physics programme here was in competition with that of the University of Vienna. The emancipation process of the “young physicists” of the Imperial Royal Polytechnic Institute, later the Technische Hochschule, and all the way to today’s TU Wien has been a highly successful one. Scientific excellence and first-class, research-led teaching guarantee that our collaborations and competition are strong and up to par. Sabine Seidler Vienna, September 2015

Vorwort der Rektorin | 9

VORWORT DES DEKANS FOREWORD FROM THE DEAN Physik ist ohne jeden Zweifel eine faszinierende Wissenschaft, die sich auf nahezu alle Bereiche unseres Lebens auswirkt, gleichzeitig aber auch weit über den täglichen Erfahrungshorizont hinausgeht. Getrieben vom steten Streben nach Erkenntnis reicht physikalische Forschung von den kleinsten Bausteinen der Materie bis an die Grenzen unseres Universums. Das gemeinsame, zentrale Thema ist dabei die Suche nach einem tiefen Verständnis der fundamentalen Naturkräfte und der ihnen zugrunde liegenden Symmetrien sowie der daraus resultierenden Struktur und Dynamik der Materie. Wie sich insbesondere seit etwa Mitte des 19. Jahrhunderts eindrucksvoll gezeigt hat, haben neue physikalische Entdeckungen und Theorien mehrmals zu dramatischen Paradigmenwechseln in unserem Verständnis der Natur und schließlich mit etwas Verzögerung zu vollkommen neuen, zuvor bestenfalls als Science Fiction zu bezeichnenden technologischen Entwicklungen geführt. Das besondere Charakteristikum der Technischen Physik, wie sie an der TU Wien seit jeher praktiziert wird, ist die enge Verbindung von Forschung und Lehre. Trotz des für international konkurrenzfähige Spitzenforschung – auf die wir Anspruch erheben und auf der wir in einigen Gebieten auch unbestritten eine führende Rolle einnehmen – zwangsläufig hohen Spezialisierungsgrads deckt die Forschung an der Fakultät für Physik ein breites Spektrum ab. Dies wirkt sich sowohl auf die Qualität des Studiums als auch auf die weit über rein technische Bereiche hinausgehenden beruflichen Einsatzmöglichkeiten der Absolventinnen und Absolventen äußerst positiv aus. Da sich die Zahl der außeruniversitären Forschungseinrichtungen in Österreich in Grenzen hält, kommt der physikalischen Forschung nicht nur an der TU Wien, sondern an allen österreichischen Universitäten mit fachlich einschlägigen Fakultäten eine zentrale Rolle zu.

10 | Vorwort des Dekans

Without a doubt, physics is a fascinating science. It touches nearly all areas of our lives while at the same time extending far beyond the boundaries of daily experience. Driven by our continuous pursuit of knowledge, research in the field of physics includes the smallest building blocks of matter through to the limits of our universe. The unifying central theme is our search for a deep understanding of fundamental forces of nature and their underlying symmetries, as well as the resulting structure and dynamics of matter. As has become evident in particularly impressive ways since the mid-19th century, new physical discoveries and theories have led to multiple dramatic paradigm shifts in the way we understand nature. Eventually, with some delay, they produced completely new technological developments that previously would have been referred to as “science fiction” at best. As practiced at the TU Wien, Technical Physics has been characterised from the very beginning by a close relationship between research and teaching. It includes the high-level specialisation indispensible to top-rated, internationally competitive research – to which we lay claim and where our leadership role in many areas remains uncontested. Yet, the research conducted by the Faculty of Physics also covers a broad spectrum. The impact this research has on the quality of education we offer and the professional opportunities available to our graduates, which go far beyond the purely technical, is extremely positive. Since the number of non-university research facilities in Austria is of fairly small size, research in physics plays a central role not only at the TU Wien but at all Austrian universities with relevant faculties in the field. Of foremost, if not vital, importance in this context is having access to major international research facilities, something ideally ensured contractually by institutionalised partici-

Von eminenter Bedeutung ist in diesem Zusammenhang auch der – im Idealfall durch eine institutionalisierte Beteiligung vertraglich abgesicherte – Zugang zu internationalen Großforschungseinrichtungen. Für eine naturwissenschaftliche Fakultät einer technisch orientierten Universität ist es auch eine selbstverständliche Notwendigkeit und Verpflichtung, sowohl auf nationaler als auch auf internationaler Ebene eine Zusammenarbeit mit Industrie und Wirtschaft zu suchen. Die Forschung an den vier Instituten der Fakultät für Physik lässt sich grob in drei Schwerpunkte einteilen: Physik der Materie, Physikalische Technologie sowie Fun­ da­ mentale Wechselwirkungen. Zwischen diesen drei Schwerpunkten gibt es allerdings vielfältige Überschneidungen und Kooperationen, welche naturgemäß eine Reihe durchaus wünschenswerter Synergien nach sich ziehen. Da es außerdem nicht nur zwischen den Arbeitsgruppen innerhalb eines Instituts, sondern auch instituts- bzw. fakultätsübergreifend eine zum Teil sehr enge Zusammenarbeit gibt, haben wir die einzelnen in diesem Band vorgestellten Beiträge nicht nach Instituten gegliedert, sondern thematisch den jeweiligen primären Forschungsgebieten zugeordnet. Dieser Band soll auch Leserinnen und Lesern ohne physikalische Spezialkenntnisse einen Eindruck von der Forschung und Lehre an unserer Fakultät vermitteln. Er erhebt daher weder einen Anspruch auf Vollständigkeit noch auf wissenschaftliche Stringenz. Aus demselben Grund haben wir, abgesehen von ein paar wörtlichen Zitierungen und aus Urheberrechtsgründen notwendigen Ausnahmen, auch bewusst auf die Angabe von Literaturzitaten verzichtet. Denn in Zeiten der Internetrecherche ist es – konkretes Interesse vorausgesetzt – ein Leichtes, sich durch die Eingabe von ein paar Suchbegriffen praktisch jede gewünschte Zusatzinformation mit wenigen Mausklicks zu beschaffen. Wien, im September 2015 Gerald Badurek

pation. Moreover, for any faculty of natural science at a technically oriented university, it is a self-evident necessity and obligation to seek out cooperation with industry and commerce at both national and international levels. Research at the Faculty for Physics’ four institutes can be divided roughly into the following three key areas: Physics of Matter, Physical Technology, and Fundamental Interactions. However, many instances of intersection and collaboration exist between these key areas, which naturally result in a series of highly desirable synergies. Since there is often very close cooperation not only between research groups within an institute but also across institutes and faculties, we have chosen not to divide the individual contributions presented in this volume by institute. Rather, we have assigned them to the respective primary areas of research based on topic. The purpose of this volume is to provide an impression of the research and teaching activities of our faculty to readers with or without a special knowledge in the field of physics. Hence, there is no claim to completeness or scientific stringency. For the same reason, apart from a few exceptions necessitated by copyrights in the case of verbatim quotes, we deliberately dispensed with citing references in literature. After all, given concrete interest, in these times of the internet search, virtually any additional information desired is easily found by entering a few search terms and with a few simple clicks of the mouse. Vienna, September 2015 Gerald Badurek

Vorwort des Dekans  | 11

DIE FAKULTÄT FÜR PHYSIK THE FACULTY OF PHYSICS Physik ist eine faszinierende Wissenschaft, die sich – weit über den täglichen Erfahrungshorizont hinausgehend – auf nahezu alle Bereiche unseres Lebens auswirkt. Physikalische Forschung reicht von den kleinsten Bausteinen der Materie bis an die Grenzen unseres Universums. Neue physikalische Entdeckungen und Theorien haben immer wieder zu dramatischen Paradigmenwechseln in unserem Verständnis der Natur und zu vollkommen neuen Technologien geführt. Physics is one of the most fascinating sciences and affects almost all areas of our life – while reaching far beyond the horizon of our everyday experience. Physics research ranges from the smallest building blocks of matter to the outer limits of our universe. New discoveries and theories in physics repeatedly have led to dramatic paradigm changes in the understanding of nature followed by wholly new technologies.

Gerhard Kahl

DIE FAKULTÄT FÜR PHYSIK THE FACULTY OF PHYSICS Als beginnend mit dem Jahre 2004 für die Technische Universität Wien eine neue innere Struktur beschlossen wurde, war die neu entstandene Fakultät für Physik die mit Abstand kleinste der nunmehr acht Fakultäten der TU Wien. Immer wieder wurden damals Zweifel geäußert, ob denn eine derart kleine Einheit im kompetitiven Wettstreit um die vorhandenen Ressourcen überleben könne. All diesen Prognosen zum Trotz präsentiert sich die Fakultät für Physik im Jubiläumsjahr als eine rundum erneuerte, überaus erfolgreiche und international bestens sichtbare Fakultät. Und auch innerhalb der TU Wien rangiert die Physik trotz ihres im Vergleich zu anderen Fakultäten relativ kleinen Personalstandes unter den erfolgreichsten Fakultäten der Universität. Der Beginn dieser Erfolgsgeschichte reicht in die späten 1990er Jahren zurück. Einerseits hatte sich die Fakultät nach einem langwierigen Prozeß neu formiert: die Institute für Angewandte Physik, für Theoretische Physik und für Festkörperphysik, sowie das im 2. Bezirk nahe der Stadionbrücke angesiedelte Atominstitut bilden seither eine neue, schlanke und zeitgemäße innere Struktur. Andererseits haben zahlreiche Umstellungen an den Studienplänen, bedingt durch Vorgaben der Ministerien und durch den Bologna-Prozeß, zu einem modernen und attraktiven Studienangebot an unserer Fakultät geführt: Neben dem traditionellen Masterstudium für Technische Physik wird seit längerem auch ein Studienzweig Physikalische Messtechnik angeboten. Darüber hinaus ist die Fakultät aktiv an den neuen Masterstudien Materialwissenschaften und „Biomedical Engineering“ beteiligt. Die Attraktivität unserer Studienangebote läßt sich leicht quantifizieren: ein starker Anstieg der Zahl der Studienanfänger hat vor zwei Jahren zu einem bislang unerreichten Wert

When plans were made for the TU Wien’s new internal structure, starting in the year 2004, the newly created Faculty of Physics was by far the smallest among the university’s eight faculties. Again and again, doubts were raised about whether such a small unit could survive the competition for available resources. Despite all the predictions, the Faculty of Physics can now, on the university’s anniversary, proudly present itself as totally modernised, very successful, and internationally highly visible. Even within the TU Wien, Physics is ranked as one of the most successful faculties, despite its relatively small staff compared to others. The start of this success story goes back to the late 1990s. On the one hand, the faculty reorganised itself after a lengthy process. Ever since, the Institutes of Applied Physics, Theoretical Physics, Solid State Physics, and the Atominstitut located in the second district near the Stadionbrücke have formed a new, sleek, and up-to-date internal structure. On the other hand, a number of changes to the curricula, prompted by ministerial requirements and the Bologna Process, have resulted in a modern and attractive selection of courses at our faculty. Along with the traditional master’s degree programme in Technical Physics, a major in Physical Energy and Measurement Engineering has also been on offer for some time. In addition, the faculty is actively engaged in the new master’s degree programmes for Materials Sciences and Biomedical Engineering. The attractiveness of our degree programmes easily can be quantified: two years ago, a sharp increase in the number of students led to an unprecedented total of around 350 beginners, and we are delighted to regularly welcome a large number of foreign students. Moreover, the Faculty of Physics provides a good deal of basic courses and lectures as a service to

Die Fakultät für Physik  | 13

von etwa 350 Studierenden geführt und wir freuen uns, regelmäßig zahlreiche ausländische Studierende begrüßen zu dürfen. Darüber hinaus hält die Fakultät für Physik zahlreiche Hauptlehrveranstaltungen als Service für andere Fakultäten ab. Diesen massiven Änderungen in der inneren Struktur und im Lehrangebot der Fakultät gingen langwierige und oft kontroversielle Entwicklungsprozesse voran. Dabei hat sich innerhalb der Fakultät über alle Kurien hinweg ein sehr konstruktiver Diskussionsstil entwickelt, sodass sie nunmehr zu einer in sich geschlossenen und gefestigten Einheit zusammengewachsen ist, in der alle Mitglieder bereit und gewillt sind, anstehende Probleme konstruktiv zu lösen. Ein essentieller Aspekt des erwähnten Erneuerungsprozesses unserer Fakultät war eine überaus erfolgreiche Berufungspolitik, die – bedingt durch einen massiven Generationswechsel – bereits in den späten 1990er Jahren eingesetzt hat. Die seither neuberufenen Kolleginnen und Kollegen haben durchwegs moderne, neue und hochaktuelle Forschungsgebiete an unserer Fakultät etabliert und betreiben diese auch äußerst erfolgreich. Zudem hat die Physik ein sehr ausgefeiltes Schema entwickelt, das jungen, hochtalentierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die Möglichkeit bieten soll, ihre Karriere im Rahmen von Laufbahnstellen („tenure-track“ Stellen) längerfristig zu planen. Die selektive Auswahl dieser Stellen eröffnet dem wissenschaftlichen Nachwuchs Karrierechancen und garantiert die Aufrechterhaltung einer ausgewogenen Altersstruktur innerhalb der Fakultät. Schließlich konnten gerade in den letzten Jahren entscheidende Weichenstellungen vorgenommen werden, die eine Fortführung der äußerst erfolgreichen Arbeit der Fakultät für Physik ermöglichen sollen. Zum einen gelang es, den neu installierten Direktor der kombinierten Akademie-Institute für Hochenergiephysik und für subatomare Physik über eine Professur wissenschaftlich und administrativ an unsere Fakultät zu binden, zum anderen konnte über die Professur Medizinische Strahlenphysik eine direkte Verbindung zu dem vor kurzem eröffneten Krebsforschungszentrum MedAustron herge-

14 |  Gerhard Kahl

other faculties. These massive changes to the faculty’s internal structure and course programme were preceded by lengthy and frequently controversial developmental processes. Through this, the faculty developed a very constructive style of discussion across all curiae, so that it has now grown into a coherent and cohesive unit whose members are all able and willing to constructively resolve any issues that may arise. An essential aspect of the aforementioned process of renewing our faculty was a highly successful recruitment policy, which – due to a massive generational change – had already begun as early as the late 1990s. Our professors appointed since then have established thoroughly modern, new, and cutting-edge fields of research at the faculty, and continue to pursue them quite successfully. In addition, the Faculty of Physics has created a very sophisticated system for offering young, highly talented scientists opportunities to plan their long-range careers within the framework of so-called tenure track positions. The selective hiring of these positions opens up career opportunities for junior staff members and guarantees the continuation of a balanced range of ages among the faculty. In the past few years, critical agendas have been set that are designed to enable the highly successful work of the Faculty of Physics to continue. First, it was possible to join the newly installed director of the combined academy institutes for High Energy Physics and for Subatomic Physics with a professorship, linking it administratively and scientifically with our faculty. Secondly, the professorial position in Medical Radiation Physics has created a direct association with the recently opened MedAustron Cancer Research Centre. There are further plans for an endowed Chair of Accelerator Physics that would forge a close cooperation between the Faculty of Physics and the large-scale European research facility CERN, located in Geneva. Intensive negotiations are underway as well for the construction of a Physics Cluster, which would bring together the scientific activities of work groups from the Institute of Atomic and Subatomic Physics and the two above-mentioned academy institutes. All of

stellt werden. Weiters ist geplant, über eine Stiftungsprofessur Beschleunigerphysik eine enge Zusammenarbeit der Fakultät für Physik mit der in Genf beheimateten europäischen Großforschungseinrichtung CERN zu gewährleisten. Auch über die bauliche Realisierung des Physik-Clusters, in dem die wissenschaftlichen Aktivitäten von Arbeitsgruppen des Atominstituts und der beiden oben erwähnten Akademie-Institute gebündelt werden sollen, werden intensive Verhandlungen geführt. All diese Maßnahmen sollen ein Garant dafür sein, dass die Fakultät für Physik ihren Erfolgskurs weiter aufrecht halten kann. Eine vollständige Auflistung der wissenschaftlichen Erfolge, die unsere Fakultät seit 2004 verbuchen konnte, würde den Rahmen dieser Einleitung sprengen. Sie können daher an dieser Stelle nur in einer verkürzten Fassung präsentiert werden. Mit großem Stolz dürfen wir festhalten, dass auch unsere Studierenden überdurchschnittlich erfolgreich sind: Seit 2004 haben zehn Studierende ihre Dokoratsstudien „sub auspiciis praesidentis“ abgeschlossen. Zwei Fakultätsmitglieder erhielten den Wittgenstein-Preis (Schmiedmayer und Diebold), vier junge Wissenschafter den START-Preis (Schütz, Grumiller, Schumm, Rabl). Insgesamt wurden sechs der renommierten ERC-Preise an Fakultätsmitglieder vergeben (Advanced Grant: Bühler-Paschen, Diebold, Schmiedmayer; Consolidator Grant: Rauschenbeutel; Starting Grant: Held, Schumm). In der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ist die Fakultät durch vier Hauptmitglieder, zwei korrespondierende Mitglieder und fünf Mitglieder der Jungen Kurie vertreten. Die Liste von Mitgliedschaften in renommierten internationalen Akademien und wissenschaftlichen Sozietäten, von Ehrendoktoraten an hochrangigen ausländischen Universitäten, von nationalen und internationalen Preisen, die sowohl für herausragende junge Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen als auch für arrivierte Mitglieder der Fakultät vergeben wurden, oder von staatlichen Auszeichnungen, etwa für ein außerordentliches Lebenswerk, würde weit über den hier zur Verfügung stehenden Rahmen hinausgehen.

these measures are aimed at guaranteeing that the Faculty of Physics stays on the path of success. A complete list of the scholarly achievements of our faculty since 2004 would go beyond the scope of this introduction, so only a shortened version is presented here. We are very proud to report that our students have also been performing above average: since 2004, ten students have completed their doctorates sub auspiciis praesidentis. Two faculty members received the Wittgenstein Prize (Schmiedmayer and Diebold), and four young scientists (Schütz, Grumiller, Schumm, and Rabl) were awarded the START Prize. Overall, six of the prestigious ERC grants have been awarded to faculty members (Advanced Grant: Bühler-Paschen, Diebold, and Schmiedmayer; Consolidator Grant: Rauschenbeutel; Starting Grant: Held and Schumm). The faculty is represented in the Austrian Academy of Sciences by four Full Members, two Corresponding Members, and five Young Academy Members. The full list of memberships in renowned international academies and scientific societies, honorary doctorates from high-ranking foreign universities, national and international prizes for outstanding young scientists as well as senior faculty members, and national distinctions, such as life achievement awards, would greatly exceed the space available here. Faculty members have also been very successful in attracting project funding, especially through research networks outside of the faculty and the university. Six of the many FWF-sponsored special research areas in which the faculty has been involved since 2004 are currently active (FOXSI, FoQuS, IR-ON, NextLite, ViCoM, and Transmembrane transporters in health and disease). The faculty is currently actively involved in four of the doctoral programme networks (CoQuS, NanoCell, Solids4Fun, and Particles and Interactions) funded by the FWF. Equally worthy of mention are the many major projects funded by the Academy of Sciences in which physicists are deeply involved. Naturally, funding has also been granted by various national research foundations to a great number of individual projects. Additionally, funding for applied research has also been obtained, for example,

Die Fakultät für Physik  | 15

Die Mitglieder der Fakultät waren auch bei der Einwerbung von Projektmitteln überaus erfolgreich. Hier sind vor allem fakultäts- und universitätsübergreifende Forschungsnetzwerke hervorzuheben. Von den zahlreichen FWF-geförderten Spezialforschungsbereichen, an denen die Fakultät seit 2004 beteiligt war, sind derzeit sechs aktiv (FOXSI, FoQuS, IR-ON, NextLite, ViCoM, und Transmembrane transporters in health and disease). Bei den ebenfalls vom FWF finanzierten Doktoratskollegs ist die Fakultät derzeit bei vier Netzwerken aktiv involviert (CoQuS, NanoCell, Solids4Fun, und Particles and Interactions). An dieser Stelle sind auch Großprojekte zu erwähnen, die von der Akademie der Wissenschaften gefördert werden und an denen Physiker maßgeblich beteiligt sind. Selbstverständlich wurde auch eine hohe Zahl von Einzelprojekten bei den diversen nationalen Forschungsförderungsstellen eingeworben. Darüber hinaus wurden Mittel aus der angewandten Forschungsförderung lukriert, etwa über FFG-Projekte oder über die Etablierung von zwei Christian Doppler Labors. Schließlich ist zu vermerken, dass die Fakultät sehr erfolgreich in zahlreichen internationalen Wissenschaftsnetzwerken eingebunden ist, sei es auf bilateraler Ebene oder über multi-nationale wissenschaftliche Großprojekte, die im Rahmen des 6. oder 7. Rahmenprogramms der EU gefördert werden.

16 |  Gerhard Kahl

through FFG projects (the Austrian Research Promotion Agency) and the establishment of two Christian Doppler Laboratories. Finally, the faculty’s very successful activity in numerous international scientific networks should be noted, whether on a bilateral level or in multinational large-scale scientific projects funded through the EU’s sixth and seventh framework programmes.

Helmut Rauch

PHYSIK AN DER TU WIEN IM WANDEL DER ZEIT THE HISTORY OF PHYSICS AT THE TU WIEN Vorlesungen über Physik wurden seit der Gründung des k.k. polytechnischen Instituts durch Johann Josef Prechtl im Jahre 1815 als Grundlagenfach angeboten, und zwar, anders als an der Universität, erstmals in deutscher Sprache. Dennoch stand die Disziplin an der TH Wien vor allem seit der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts lange im Schatten der Physikausbildung an der Universität Wien, obgleich bekannte Physiker am polytechnischen Institut bzw. an der TH in Wien studiert haben, wie Christian Doppler (Doppler-Effekt), Joseph Loschmidt (Loschmidt-Konstante), Friedrich Hasenöhrl (Hohlraumstrahlung) und Alexander Meißner (Verstärkerröhre). Infolge der wachsenden Ausdifferenzierung der Naturwissenschaften im 20. Jahrhundert und der steigenden Bedeutung physikalischen Grundwissens in den technischen Fächern wurde die Physik für die Ausbildung an der TH Wien immer wichtiger: Seit 1866 bestanden zwei Physiklehrkanzeln, kurz vor dem Ersten Weltkrieg kam eine dritte hinzu. Ab 1922 wurde eine eigene Unterabteilung für „Technische Physik“ im Rahmen der „Allgemeinen Abteilung“ (ab 1928 Fakultät für Angewandte Mathematik und Physik, die 1942 in eine Fakultät für Naturwissenschaften übergeführt wurde) mit eigenem Studiengang eingeführt. Erst seit 2004 gibt es an der TU Wien eine Fakultät für Physik (Dekan Gerald Badurek), was die zunehmende Bedeutung der Disziplin innerhalb der TU Wien unterstreicht. Ab 1942 erfolgte die Umbenennung der drei Physiklehrkanzeln in „Physikalisches Institut (Lehrkanzel für Experimentalphysik)“, „Lehrkanzel für Theoretische Physik“ und „Lehrkanzel für Technische Physik“. Nach dem Zwei-

Ever since Johann Josef Prechtl founded the Imperial Royal Polytechnic Institute in 1815, lectures in physics were offered as part of the general education courses, and they were held in German, unlike at the University of Vienna. Despite this, the courses at the TH Wien were overshadowed by the University of Vienna’s physics programme for quite a long time, especially between the second half of the nineteenth and the second half of the twentieth century. This has to be admitted although such renowned physicists as Christian Doppler (Doppler Effect), Joseph Loschmidt (the Loschmidt constant), Friedrich Hasenöhrl (black body radiation) and Alexander Meissner (amplifier tube) were active at the Polytechnic Institute and/or the TH Wien. As a result of the increasing differentiation of natural sciences during the twentieth century and the growing significance of having a knowledge of basic physics for work in a technical field, physics continued to rise in importance at the TH Wien. There have been two chairs for physics since 1866, and a third was added just before World War I. After 1922, a separate sub-department for Technical Physics, with a separate programme of study, was introduced as part of the General Studies Department (renamed the Faculty of Applied Mathematics and Physics in 1928, and transferred to the Faculty of Natural Sciences in 1942). The Faculty of Physics was founded in 2004 (Dean Gerald Badurek), which underscores the growing importance of the discipline at the TU Wien. In 1942, the three chairs in physics were renamed the Institute of Physics (Chair of Experimental Physics), the Chair of Theoretical Physics, and the Chair of Tech-

Physik an der TU Wien im Wandel der Zeit  | 17

ten Weltkrieg kam eine „Lehrkanzel für Experimentalphysik II“ (ab 1976 „Institut für Allgemeine Physik“) hinzu. In der Folge wurden die physikalischen Institute entsprechend den Bedürfnissen der Forschung wiederholt umstrukturiert. Bereits die Namensgebung indiziert, dass man ursprünglich vorwiegend an der Vermittlung angewandten und technisch relevanten Wissens interessiert war. Das Institut für Experimentalphysik war jahrzehntelang von Fritz Regler und später von Hans Kirchmayr geprägt, das Institut für Theoretische Physik durch Walter Glaser, Otto Hittmair und Wolfgang Kummer und das Institut für Allgemeine Physik durch Franz Viehböck und Hannspeter Winter. Im Jahre 1962 hat das „Atominstitut der Österreichischen Universitäten“ mit einem modernen Forschungsreaktor und anderen hoch spezifizierten Labors den Betrieb aufgenommen und damit ebenfalls zur Imagebildung der Physik in der Öffentlichkeit und bei der Scientific Community positiv beigetragen. Die Etablierung einer Radiochemieabteilung (Leitung Ortwin Bobleter und Karl Buchtela), einer Röntgenabteilung (Leitung Hannes Aiginger), einer Strahlenschutzabteilung (Leitung Erich Tschirf) und einer Tieftemperaturabteilung (Leitung Harald Weber) gestattete eine breite interdisziplinäre Forschungstätigkeit. Das Institut war ursprünglich als inter­ universitäres Forschungsinstitut konzipiert, wurde aber zunächst administrativ und 2004 als „Atominstitut“ vollständig an die Technische Universität Wien angeschlossen. Dieser Vorgang wurde von Fachkollegen anderer österreichischen Universitäten nicht unbedingt mit Freude gesehen, hat aber zu einem nicht zu unterschätzenden Investitionsschub geführt. Das Atominstitut wurde von Gustav Ortner (19571970) und Fritz Regler (1961-1971) und anschließend von Gernot Eder (1971-1997) und Helmut Rauch (19722005) geleitet, wobei es unter anderem galt, verschiedene Klippen betreffend Antiatom- und UOG-Unbilden zu meistern. So erbrachte die Volksabstimmung im Jahre 1978 über das Kernkraftwerk Zwentendorf eine Zäsur betreffend die Einstellung der Bevölkerung zur Kernenergie und das UOG 1975 war in Bezug auf interuniversitäre Institute nur schwer anwendbar.

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nical Physics. After World War II, a Chair of Experimental Physics II was added (renamed Institute of General Physics in 1976). Afterwards, the different physics institutes were repeatedly restructured to meet the needs of research activity. The name changes are a good indicator of the early interest in applied and technically relevant knowledge. For many decades, the Institute for Experimental Physics was shaped by Fritz Regler and later Hans Kirchmayr; the Institute of Theoretical Physics by Walter Glaser, Otto Hittmair, and Wolfgang Kummer; and the Institute of General Physics by Franz Viehböck and Hannspeter Winter. In 1962, the Atomic Institute of Austrian Universities was launched, equipped with a modern research reactor and other highly specialized laboratories, and made a positive contribution to the image of physics both in the public mind and in the scientific community. The establishment of a Department of Radiochemistry (headed by Ortwin Bobleter and Karl Buchtela), a Department of Radiation Protection (headed by Erich Tschirf), and a Department of Cryogenics (headed by Harald Weber) made a wide range of interdisciplinary research work possible. The institute was originally conceived as an inter-university research centre, but was later incorporated into the TU Wien, at first administratively and then fully, in 2004, as the “Atominstitut”. Colleagues at other Austrian universities were not necessarily in favour of this development, but it did indeed lead to a significant boost in funding. The Atominstitut of the Austrian Universities was headed by Gustav Ortner (1957-1970) and Fritz Regler (1961-1971), and later Gernot Eder (1971-1997) and Helmut Rauch (1972–2005), and successfully overcame various challenges related to anti-nuclear sentiment and University Organisation Act (UOG) consequences, among other things. The 1978 public referendum on the Zwentendorf nuclear power plant was a turning point in the population’s attitude to nuclear energy, and made it difficult to implement the UOG to inter-university institutes. The intense cooperation of the institute with the International Atomic Energy Agency (IAEA) must also be mentioned at this point.

Die Physik an der TU Wien pflegte stets eine enge Kooperation mit dem Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, was vielen Studierenden den Zugang zu den modernsten Forschungseinrichtungen des CERN in Genf ermöglichte. Eine 2013 neu geschaffene Professur für „Teilchenphysik“ an der TU Wien stärkt diese Verbindung, ebenso wie die Schaffung eigener Lehrkanzeln für den Betrieb und die Forschung am Teilchenbeschleuniger für medizinische Anwendungen MedAUSTRON in Wiener Neustadt. Neuerdings ist auch eine Beteiligung am „Vienna Center for Quantum Science and Technology“ (VCQ) etabliert worden. Einen Sonderfall stellt die Halbleiter- und Laserphysik dar, da diese von Anbeginn nicht in der Fachgruppe bzw. Fakultät für Physik, sondern bei der Unterabteilung für Elektrotechnik der Fakultät für Maschinenwesen und Elektrotechnik beheimatet war. Die Gründe dafür sind wohl eher bei persönlichen Animositäten als bei hand-

Abb.1: Das Atominstitut im Wiener „Prater“ betreibt unter anderem den einzigen Forschungsreaktor Österreichs Figure 1: The Atominstitut, located in the Viennese “Prater”, operates the only research reactor in Austria

There was always close cooperation between the physics institutes at the TU Wien and the Institute for High Energy Physics (HEPHY) of the Austrian Academy of Sciences, which has enabled many students to gain access to the modern research facilities of CERN in Geneva. This connection is strengthened by the new Chair of Particle Physics established at the TU Wien in 2013, as well as several professorial positions for operations and research at the MedAUSTRON particle accelerator for medical applications located in Wiener Neustadt. Recently, a link to the Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) was also established.

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festen Fakten zu suchen. Die Leistungen im Bereich der Halbleiterphysik in der Gruppe um Hans Pötzl und Erich Gornik und in der Laserphysik in den Gruppen um Arnold Schmidt, Ferenc Krausz, Karl Unterrainer und Andrius Baltuska waren und sind Glanzlichter physikalischer Forschung an der TU Wien. Auch im Bereich Chemie gab es eine „Außenstelle Physik“, die durch Peter Weinberger repräsentiert wurde und deutliche Erfolge im Bereich computerunterstützter Festkörperforschung aufweisen kann. Aus diesen Aktivitäten ging schließlich das von der TU gemeinsam mit der Universität Wien eingerichtete „Center for Computational Materials Science“ hervor (siehe Beitrag von Peter Mohn). In den letzten zehn Jahren erfolgte die Neubesetzung fast aller Physikprofessuren mit Hartmut Abele, Silke Bühler-Paschen, Joachim Burgdörfer, Ulrike Diebold, Karsten Held, Andrej Pimenov, Arno Rauschenbeutel, Anton Rebhahn, Jochen Schieck, Jörg Schmiedmayer, Lembit Shiver und Thorsten Schumm, wovon nur drei ihr Studium an der TU Wien absolviert haben. Diese neue „Mannschaft“ zeichnet sich unter anderem durch hohe Internationalität aus sowie durch hohe Effektivität bei der Einwerbung von Drittmitteln. Die Tätigkeit der Physikinstitute fokussiert sich stark auf zwei Schwerpunktthemen der TU Wien: Quantum Physics and Quantum Technologies und Materials and Matter. Der erste Themenkreis beinhaltet sowohl Grundlagenforschung im Bereich Quantenphysik als auch die Entwicklung neuer quantengestützter Kommunikationssysteme. Beim zweiten Themenkreis geht es im Wesentlichen um die Erforschung und Nutzung von Eigenschaften der kondensierten Materie unter extremen Bedingungen. Man fokussiert sich dabei hauptsächlich auf verschiedene spektroskopische Methoden zur Erforschung von deren statischer und dynamischer Struktur sowohl im Inneren als auch an der Oberfläche. Die Untersuchung von Nano-Partikeln ist davon als besonders aktuell zu werten. Zwischen beiden Themenkreisen ergeben sich zusätzlich sehr spannende Querverbindungen, aber auch mit den übrigen Forschungsschwerpunkten der TU Wien gibt es interessante Überlappungen.

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Semiconductor physics and laser physics are a special case, as these were not based in the disciplinary field of the Faculty of Physics from the very beginning, but rather in the subsection for Electrical Engineering of the Faculty of Mechanical and Electrical Engineering. The reasons for this are probably more related to interpersonal conflict than to solid facts. The achievements in the field of semiconductor physics in led by Hans Pötzl and Erich Gornik, and in laser physics led by Arnold Schmidt, Ferenc Krausz, Karl Unterrainer, and Andrius Baltuska belong to the highlights of physics research at the TU Wien. The group around Peter Weinberger from the Faculty of Chemistry contributed substantially to the output in the field of computer aided solid state physics. From these activities finally the Center for Computational Materials Science emerged, established jointly by the TU and the University of Vienna (see Article by Peter Mohn). In the last ten years, new faces have filled nearly all of the physics professorships, with Hartmut Abele, Silke Bühler-Paschen, Joachim Burgdörfer, Ulrike Diebold, Karsten Held, Andrej Pimenov, Arno Rauschenbeutel, Anton Rebhan, Jochen Schieck, Jörg Schmiedmayer, Lembit Sihver, and Thorsten Schumm, only three of whom are TU Wien graduates. This new team stands out, among other things, for its international character and ability to attract outside funding. Work at the TU Wien’s Physics Institutes focuses heavily on two main topics: Quantum Physics and Quantum Technologies, and Materials and Matter. The first subject includes both basic research in the field of quantum physics and the development of new quantum-based communication systems. The second subject essentially involves the investigation and use of the properties of condensed matter under extreme conditions. The main focus here is on various spectroscopic methods for the investigation of static and dynamic structures, both in bulk and on the surface. The study of nano-particles is currently particularly relevant to this field. In addition, there are very exciting connections between the two topics, as well as interesting overlaps with research work being done elsewhere at the TU Wien.

Die Lehrkanzeln für Physik waren bis Mitte der 1980er Jahre im Hauptgebäude am Karlsplatz untergebracht. Der wachsende Bedarf an Labors konnte mit dem Erweiterungsbau des Karlstraktes 1908/09 und mit der Errichtung des sogenannten „Aufbaulabors“ 1919 nur vorübergehend gedeckt werden. Einen großen Schritt in Richtung Professionalisierung bedeutete der Neubau auf den Freihausgründen, der 1987 fertig gestellt wurde und in dem die Physik eine Fläche von zirka 12.000 m2 zugesprochen bekam. Dort konnten nun hoch spezialisierte Labors und zeitgemäße Hörsäle in Betrieb genommen werden und ein imagemäßiger Gleichstand mit der Physik an der Universität Wien, aber auch mit ähnlichen Ausbildungsstätten im In- und Ausland erreicht werden. Das persönliche Engagement von Hans Kirchmayr und Herbert Sassik bezüglich der Etablierung der Physik im „Freihaus“ soll hier nicht unerwähnt bleiben. Die Studierendenzahlen im Fachbereich überstiegen bald die Zahl der Physikstudierenden an der Universität Wien. Die innerstädtische Lage hat speziell für Studierende Vorteile, bedeutet allerdings auch gewisse Einschränkungen was Erschütterungsfreiheit, Elektrosmog, Park- und Ausbaumöglichkeiten betrifft. Obgleich bekannt ist, dass das Messen wissenschaftlicher Leistungen mit eindimensionalen Maßstäben, wie etwa beim Skifahren, nicht möglich ist, werden auch Universitäten regelmäßig verschiedenen internationalen „Rankings“ unterworfen und die Ergebnisse dann jeweils widersprüchlich interpretiert. Die Physik an der TU Wien scheint beim „World University Ranking“ der weltweit besten Ausbildungsplätze zwischen den Rängen 150 bis 200 auf. Nimmt man die guten Ergebnisse der Physik im Bereich der Elektrotechnik ebenfalls dazu, kommt man auf Rangplätze zwischen 100 bis 150. Über die letzten Jahre hin ergibt sich eine leichte Verbesserung, aber es bleibt ein ansehnlicher Abstand zu den anglo-amerikanischen Spitzenuniversitäten, aber auch zur ETH Zürich und zur TU München. Die Gründe dafür mögen in der wesentlich geringeren Finanzierung, in der geringeren Akzeptanz naturwissenschaftlicher Forschung in der österreichischen Öffentlichkeit und im Fehlen stringenter

The Chairs of Physics were housed in the main building on Karlsplatz up into the mid-1980s. In 1908 and 1909, the increasing demand for laboratories was temporarily met with the so-called Karlstrakt annex, and the construction of what was called the Aufbaulabor (an additional lab storey) in 1919. Completed in 1987, the new building on the Freihaus property, 12,000 square metres of which was allotted for physics, was a major advance in the professionalization of the faculty. It provided highly specialised laboratories and modern lecture halls, thus matching the level and image of the physics programme at the University of Vienna and similar educational institutions both within Austria and abroad. The personal commitment of Hans Kirchmayr and Herbert Sassik to establishing the physics programme in the Freihaus is worthy of mention in this regard. The number of students in the field of physics then quickly exceeded the number of physics students at the University of Vienna. The city campus is especially advantageous for students, although it also has certain drawbacks in terms of exposure to mechanical vibrations and electro- smog, as well as limited parking availability and space to expand. Although it is known that it is not possible to measure academic achievement on a one-dimensional scale, as in sports, universities are nonetheless routinely subjected to an array of international rankings, with the results being interpreted in contrasting ways. In the World University Ranking, the physics programme at the TU Wien appears to be somewhere between 150 and 200 among the world’s best educational centres. If taken together with the excellent results of physics in the Faculty of Electrical Engineering, the ranking rises to between 100 and 150. There has been a slight improvement in recent years, but the institution still remains at a considerable distance behind the top Anglo-American universities, the ETH Zürich, and the TU München. This may be due to the significantly inferior funding, the lower acceptance of scientific research among the Austrian public, and the lack of a more selective admission policy. However, what I personally find to be more important than rankings is

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Aufnahmebedingungen liegen. Wichtiger als das „Ranking“ erachte ich den „Output“ insgesamt, der in Gestalt von zirka 120 Absolventinnen und Absolventen pro Jahr und zirka 500 wissenschaftlichen Publikationen jährlich zu Buche schlägt und damit nicht unbedeutend zum wissenschaftlich-technischen Standard des Landes beiträgt. Physiker haben übrigens an der TH/TU Wien bisher sieben Rektoren gestellt: Viktor Pierre (1873/74), Leander Ditscheiner (1988/89), Heinrich Mache (1925/26), Ludwig Flamm (1950/51), Fritz Regler (1958/59), Otto Hittmair (1977–1979), und den Langzeitrektor Peter Skalicky (1991–2011). Otto Hittmair war von 1987 bis 1991 Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (OEAW), und mit Helmut Rauch (1991 – 1994) sowie Arnold Schmidt (1994–2003) waren zwei TU-Physiker Präsidenten des Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung in Österreich (FWF).

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overall output, which is approximately 120 graduates and some 500 scientific publications annually, thus representing a not insignificant contribution to the nation’s scientific and technical achievements. Incidentally, to date, seven rectors at the TH/TU Wien have been physicists: Viktor Pierre (1873-74), Leander Ditscheiner (1988-89), Heinrich Mache (1925-26), Ludwig Flamm (1950-51), Fritz Regler (1958-59), Otto Hittmair (1977–79), and the long-term tenure of Peter Skalicky (1991–2011). Otto Hittmair was also President of the Austrian Academy of Sciences (OEAW) from 1987 to 1991, and two TU-physicists, Helmut Rauch (1991 – 1994) and Arnold Schmidt (1994–2003) were Presidents of the Austrian Science Foundation (FWF).

Helmut Leeb

FORSCHUNGSGELEITETE LEHRE RESEARCH-DRIVEN TEACHING Vorlesungen der Physik waren bereits bei der Gründung der TU Wien vor 200 Jahren Teil des Studienplans. Zunächst als Service für die Ingenieurausbildung konzipiert, wurde mit der steigenden Bedeutung der Physik im beginnenden 20. Jahrhundert das Studium der Technischen Physik 1922 als eigenständige Ausbildung an der TU Wien eingerichtet. Heute bietet die TU Wien ein Bachelorstudium und zwei Masterstudien an. Mit jährlich etwa 110 Bachelor-, 80 Masterabschlüssen und 30 Doktoraten aus Technischer Physik ist die TU Wien eine der wichtigsten Ausbildungsstätten für Technische Physik in Österreich.

When the TU Wien was first founded 200 years ago, lectures in physics were already part of the curriculum. Initially conceived to supplement the engineering programme, the increasing importance of physics in the early 20th century led to the establishment of technical physics as an independent course of study at the university in 1922. Today, the TU Wien offers one bachelor’s and two master’s degree programmes in physics. Awarding some 110 bachelor’s degrees, 80 master’s degrees, and 30 doctorates annually, the TU Wien is one of Austria’s most important schools of technical physics.

Die Ausbildung in Physik ist einer der Grundpfeiler des Ingenieurwissens, und ihre Lehre war seit der Gründung des Polytechnischen Instituts am 6. November 1815 vertreten. Bereits am 7. November 1815 wurde die erste Physikvorlesung abgehalten, um damit die gemäß der Verfassung des k.k. Polytechnischen Instituts zugeordnete Rolle zu erfüllen. „Die Physik wird in einem vollständigen Vortrag mit der gehörigen Ausführung und Anwendung auf die praktischen Fälle des bürgerlichen Lebens, der Künste und Gewerbe experimentell behandelt, täglich eine Stunde mit Beihilfe eines physikalischen Kabinetts“1 und war der Technischen Abteilung zugeordnet. Das physikalische Kabinett beschränkte sich vorerst auf einen Fundus für Vorlesungsversuche. Bescheidene Möglichkeiten des wissenschaftlichen Experimentierens waren erst am Ende des 19. Jahrhunderts gegeben. Erst kurz vor dem Ersten Weltkrieg konnten mit der Errichtung des Karlstrakts einige Laboratorien eingerichtet werden, die in etwa den damals bestehenden Erfordernissen entsprachen.

Knowledge of physics is one of the cornerstones of an education in engineering, and the subject has been taught at the Polytechnic Institute since it was founded on 6 November 1815. The very first lecture on physics was held as early as 7 November 1815, thus fulfilling the role assigned to it by the constitution of the Imperial Royal Polytechnic Institute: “Physics is to be addressed experimentally, in a full lecture, one hour a day, explained well and applied to practical situations in civilian life, the arts, and commerce, supported by a Cabinet of Physics.”1 Assigned to the Technical Department at first, the Cabinet of Physics was initially limited to a collection of lecture experiments. It wasn’t until the end of the 19th century that modest opportunities for scientific experimentation were established. When the Karlstrakt addition was built just before World War I, a few laboratories were set up that approximately met the scientific needs of the time. Discoveries in physics during the early 20th century made physics research a new priority in terms of techno-

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Die physikalischen Entdeckungen im beginnenden 20. Jahrhundert haben zu einem neuen Stellenwert der physikalischen Forschung im Hinblick auf technischen Forstschritt geführt, sodass sie aus der Hilfswissenschaft für die Ausbildung der Ingenieure zu einer eigenen, selbständigen und gleichberechtigen technischen Wissenschaft wurde. Dies hat 1922 zur Gründung der „Unterabteilung für Technische Physik“ geführt, was als Geburtsstunde der Ausbildung von Technischen Physikern an der TU Wien angesehen werden kann. Seitdem gab es einen eigenen Studienplan für „Technische Physik“, der eine umfassende Ausbildung in allen Teilgebiete der experimentellen, theoretischen und angewandten Physik enthielt, notwendige technische Fertigkeiten vermittelte und mit einer II. Staatsprüfung abgeschlossen wurde. Nach Umsetzung des Bologna-Prozesses wird seit 2006 das Physikstudium im Rahmen des dreistufigen Systems Bachelor-Master-Doktorat durchgeführt (Abb. 1). Die bahnbrechenden physikalischen Erkenntnisse des letzten Jahrhunderts haben zu einem wesentlich verbreiterten Anwendungsgebiet und damit zu steigendem Interesse an einem Physikstudium geführt. Im Zeitraum 1970-2012 hat sich die Zahl der in Technischer Physik inskribierten Studierenden mehr als verdreifacht. Die Fakultät für Physik bietet nur ein Bachelorstudium an, das in der Standardzeit von drei Jahren bzw. sechs Semestern eine umfassende Grundausbildung in Mathematik, experimenteller und theoretischer Physik, Elektronik sowie technische Grundlagen vermittelt und mit dem Bachelor of Science (BSc) abschließt. Für das Weiterstudium bietet die Fakultät für Physik die zwei Masterstudien Technische Physik sowie Physikalische Energie- und Messtechnik an, die zum Titel Dipl.-Ing. führen. Ersteres liefert eine international anerkannte wissenschaftliche Ausbildung zum Technischen Physiker für Forschung und Industrie. Das Masterstudium Physikalische Energie- und Messtechnik ermöglicht eine berufsorientierte, voll akademische Ausbildung in zwei aktuellen Schlüsselbereichen der Gesellschaft. Zusätzlich zu diesen Masterstudien ist die Fakultät auch an den interfakultären berufsorientierten

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logical progress. Physics went from an ancillary science to a separate, independent, and equally important technical discipline. This led to the creation of the Sub-department of Technical Physics in 1922, which can be seen as the birth year of technical physics education at the TU Wien. Since then, there has always been a separate curriculum in Technical Physics, encompassing the comprehensive study of all branches of experimental, theoretical, and applied physics and the requisite technical skills, concluded by a state examination. Since the implementation of the Bologna Process in 2006, the physics programme has been structured in a three-tiered, bachelor-master-doctoral degree system (Fig. 1). The groundbreaking physics discoveries of the last century have led to a much broader range of applications and thus an increased interest in the study of physics. In the period 1970-2012 the number of students enrolled in Technical Physics has increased by more than a factor of three. The Faculty of Physics offers a single bachelor’s programme, which provides a comprehensive basic education in mathematics, experimental and theoretical physics, electronics, and basic technology. The programme lasts the standard time of three years, or six semesters, and earns successful students a Bachelor of Science (BSc). For advanced study, the Faculty of Physics offers master’s programmes in Technical Physics and in Physical Energy and Measurement Technology, which lead to the title of Dipl.-Ing. The former provides an internationally recognized professional education for technical physicists in research and industry. The master’s programme in Physical Energy and Measurement Technology offers a complete, career-oriented academic education in two key areas of contemporary society. In addition to these graduate programmes, the faculty is also part of the interdepartmental majors of Materials Science and Biomedical Engineering. The programmes in physics, especially at the graduate level, are characterised by a wide choice of electives, which includes engineering courses as well as special topics in physics. Another characteristic of the physics programmes is their strong involvement in scientific pro-

Studienrichtungen Materialwissenschaften und Biomedical Engineering beteiligt. Die Studien der Physik, insbesondere auf dem Masterniveau, zeichnen sich durch ein breites Wahlfächerangebot aus, das neben physikalischem Spezialwissen auch ingenieurwissenschaftliche Fächer enthält. Ein weiteres Charakteristikum der angebotenen Physikstudien ist die frühe Einbindung in wissenschaftliche Projekte. Aufbauend auf dem hervorragenden Niveau der physikalischen Forschung an der TU Wien erlaubt dies, Studierende schon während des Bachelor- und Masterstudiums an internationale Spitzenforschung heranzuführen. Das international kompetitive Forschungsumfeld an der Fakultät Physik ermöglicht die Erstellung von Dissertationen höchster Qualität, die weltweit anerkannt werden und zu einer Vielzahl von beachtenswerten internationalen Karrieren geführt haben. Die Studienpläne der Physik werden durch die Studienkommission Technische Physik kontinuierlich auf ihre Aktualität und Qualität überprüft. Die starke internationale Vernetzung in der Forschung erfordert eine entsprechende Vernetzung in der Physikausbildung, die eine verstärkte Mobilität von Studierenden und Lehrenden zwischen Universitäten ermöglicht. Derzeit werden geeignete Schritte diskutiert, um die internationale Konkurrenzfähigkeit der Physikausbildung an der TU Wien weiter zu steigern.

Anmerkung/Note 1 Statuten des k.k. Polytechnischen Instituts, Wien 1818, 9.

Abb. 1: Die von der Fakultät Physik angebotenen Studien nach Einführung des 3-stufigen Systems gemäß dem Bologna Vertrag. Figure 1: The programmes offered by the Faculty of Physics after the introduction of the 3-tier system as per the Bologna Agreement.

jects early on. This allows students to be introduced to top-level international research in the bachelor’s and master’s degree programmes, building on the outstanding quality of physics research at the TU Wien. The internationally competitive research environment at the Faculty of Physics yields top-quality dissertations that repeatedly garner international recognition and foster highly successful careers. The Curricular Committee for Technical Physics regularly reviews the topicality and quality of the physics curricula. The extensive international research network is linked to a corresponding network in education that enables physics students and teachers to move easily between universities. Currently under discussion are possible ways to make physics at the TU Wien even more competitive globally.

Forschungsgeleitete Lehre   | 25

Andrei Pimenov et al.

DOKTORATSKOLLEGS DOCTORAL PROGRAMMES Andrei Pimenov

Andrei Pimenov

„Solids4Fun“: Innovation durch Teamwork

“Solids4Fun”: Innovation through teamwork

Das interdisziplinäre Doktoratskolleg Solids4Fun wird von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Fakultäten für Physik, Technische Chemie, sowie Elektrotechnik und Informationstechnik getragen und verbindet damit verschiedene wissenschaftlichen Disziplinen. Es bietet einen breiten Blick auf Synthese und Eigenschaften von Feststoffen aus unterschiedlichen Perspektiven, z.B. aus der der Chemie, der Physik, der Materialwissenschaft und der Nanotechnologie, aber auch aus der Perspektive von Experiment und Theorie. Wissenschaftliche und technische Innovationen sowie grundlegende Entwicklungen werden hauptsächlich dann erzielt, wenn Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen mit unterschiedlicher Expertise zusammenarbeiten. Das gilt ganz besonders für die Materialwissenschaften. Solids4Fun nimmt sich besonders des Problems der unterschiedlichen Sprache und Denkweise der verschiedenen Disziplinen an, um die Kommunikation zwischen den verschiedenen Wissenschaften zu verbessern und den Absolventen/Absolventinnen von Solids4Fun zu erlauben, wissenschaftliche Probleme gemeinsam zu lösen. Eigenschaften fester Materie hängen nicht nur von der chemischen Zusammensetzung ab, sondern auch von vielen anderen Parametern, wie Kristallinität, Defekten, Oberflächeneigenschaften, Reinheit (Dotierung), Größe (Nano-, Meso-, Makroskala), Dimensionalität (0D, 1D, 2D, 3D), Porosität oder Phase (abhängig von Druck, Temperatur etc.). Nur ein gründliches Verständnis des Zusammenhangs zwischen den verschiedenen Parametern und den stofflichen Eigenschaften kann zu gezielter

The interdisciplinary Solids4Fun doctoral programme is supported by researchers from the faculties of Physics, Technical Chemistry, and Electrical Engineering and IT, thereby bringing these different academic fields together. The programme provides a broad overview of the synthesis and properties of solids from different perspectives, i.e. from that of chemistry, physics, material science, and nanotechnology, as well as from an experimental and theoretical perspective. Scientific and technological innovations and fundamental developments are primarily the result of collaboration between scientists with different expertise. This is particularly true of the material sciences. Solids4Fun addresses the dilemmas arising from the various languages and thought processes of the different disciplines, with the aim of improving communication between the different scientific fields and giving the graduates of Solids4Fun the skills necessary to solve scientific problems in joint settings. The properties of solid matter depend not only on chemical composition but also on many other parameters, such as crystallinity, defects, surface properties, purity (doping), size (nano-, meso-, macro-scales), dimensionality (0D, 1D, 2D, 3D), porosity, and phase (depending on pressure, temperature etc.). Only a thorough understanding of the interplay between the different parameters and the material properties can lead to targeted material selection, synthesis routes, component development, and related matters. In the Solids4Fun doctoral programme, the interplay of parameters and properties is researched by example for different types

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Abb. 1 : Drehung der Polarisation des transmittierten Lichts mithilfe Topologischer Isolatoren. Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien (hier ein HgTe Film), die nur an ihrer Oberfläche elek­ trisch leitfähig sind. Diese Eigenschaft erlaubt u.a. eine Kontrolle des Lichtes mittels einer variablen elektrischen Gleichspannung. Figure 1: Rotation of the polarisation of light using topological isolators. These are novel materials (in this case HgTe film) that feature symmetry-protected surface conduction. This characteristic permits, for example, the control of light using a variable DC voltage.

Materialauswahl, Syntheserouten, Bauteilentwicklung, und dergleichen führen. Im Doktoratskolleg Solids4Fun wird das Parameter-Eigenschaften-Wechselspiel exemplarisch für verschiedene Arten anorganischer Feststoffe untersucht, besonders für Oxide, Halbleiter und intermetallische Verbindungen in unterschiedlichen Formen, wie z.B. dünne Filme, (Nano-) Komposite, poröse Stoffe, Quantenpunkte, photonische Kristalle, Metamaterialien oder Hybridmaterialien.

of inorganic solids, in particular oxides, semiconductors, and intermetallic compounds in different forms, such as thin films, (nano) composites, porous materials, quantum dots, photonic crystals, meta-materials, and hybrid materials, to name a few.

Anton Rebhan

The Particles and Interactions doctoral programme, which is coordinated by researchers from the Faculty of Physics of the TU Wien, represents a research platform for theoretical and experimental particle physics comprising all institutes in Vienna active in these fields. This includes the physics faculties of the TU Wien and the University of Vienna, and two academy institutes, the Institute for High Energy Physics and the Stefan Meyer Institute for Subatomic Physics (SMI). The aim of this doctoral programme is, on the one hand, to achieve critical mass for the internationally high-

„Particles and Interactions“: Kritische Masse für die Erforschung fundamentaler Wechselwirkungen Koordiniert von Forschern der Fakultät für Physik der TU Wien wurde mit dem Doktoratskolleg „Particles and Interactions“ eine Forschungsplattform für die theoretische und experimentelle Teilchenphysik geschaffen, die alle auf diesem Gebiet tätigen Institute in Wien zusammenschließt, neben der Physik an der TU Wien und der Universität Wien auch zwei Akademieinstitute, das Insti-

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Anton Rebhan “Particles & Interactions”: Critical mass for the research on fundamental interactions

Abb. 1 : Drehung der Polarisation des transmittierten Lichts mithilfe Topologischer Isolatoren. Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien (hier ein HgTe Film), die nur an ihrer Oberfläche elek­ trisch leitfähig sind. Diese Eigenschaft erlaubt u.a. eine Kontrolle des Lichtes mittels einer variablen elektrischen Gleichspannung. Figure 1: Rotation of the polarisation of light using topological isolators. These are novel materials (in this case HgTe film) that feature symmetry-protected surface conduction. This characteristic permits, for example, the control of light using a variable DC voltage.

Materialauswahl, Syntheserouten, Bauteilentwicklung, und dergleichen führen. Im Doktoratskolleg Solids4Fun wird das Parameter-Eigenschaften-Wechselspiel exemplarisch für verschiedene Arten anorganischer Feststoffe untersucht, besonders für Oxide, Halbleiter und intermetallische Verbindungen in unterschiedlichen Formen, wie z.B. dünne Filme, (Nano-) Komposite, poröse Stoffe, Quantenpunkte, photonische Kristalle, Metamaterialien oder Hybridmaterialien.

of inorganic solids, in particular oxides, semiconductors, and intermetallic compounds in different forms, such as thin films, (nano) composites, porous materials, quantum dots, photonic crystals, meta-materials, and hybrid materials, to name a few.

Anton Rebhan

The Particles and Interactions doctoral programme, which is coordinated by researchers from the Faculty of Physics of the TU Wien, represents a research platform for theoretical and experimental particle physics comprising all institutes in Vienna active in these fields. This includes the physics faculties of the TU Wien and the University of Vienna, and two academy institutes, the Institute for High Energy Physics and the Stefan Meyer Institute for Subatomic Physics (SMI). The aim of this doctoral programme is, on the one hand, to achieve critical mass for the internationally high-

„Particles and Interactions“: Kritische Masse für die Erforschung fundamentaler Wechselwirkungen Koordiniert von Forschern der Fakultät für Physik der TU Wien wurde mit dem Doktoratskolleg „Particles and Interactions“ eine Forschungsplattform für die theoretische und experimentelle Teilchenphysik geschaffen, die alle auf diesem Gebiet tätigen Institute in Wien zusammenschließt, neben der Physik an der TU Wien und der Universität Wien auch zwei Akademieinstitute, das Insti-

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Anton Rebhan “Particles & Interactions”: Critical mass for the research on fundamental interactions

tut für Hochenergiephysik und das Stefan-Meyer-Institut für subatomare Physik (SMI). Ziel dieses Doktoratskollegs ist zum einen die Schaffung einer kritischen Masse für diese international äußerst kompetitive Forschung an der vordersten Front der Teilchenphysik. Da eine solche sowohl von theoretischen als auch von experimentellen Physikerinnen und Physikern eine extreme Spezialisierung erfordert, um Neues beitragen zu können, wird durch dieses Doktoratskolleg dafür Sorge getragen, dass die jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein breites Verständnis für alle relevanten Aspekte der aktuellen Forschung in der Teilchenphysik erwerben. Durch die Anbindung an die internationale Forschung in diversen Kooperationen und in Forschungszentren wie dem CERN, dem ILL Grenoble, GSI Darmstadt, oder dem KEK in Japan soll die Möglichkeit für eine eigenständige wissenschaftliche Karriere geschaffen werden, beziehungsweise sollen die erworbenen Erfahrungen die Absolventen/Absolventinnen

Abb. 1: 3- und 2-dimensionale Darstellungen der Simulation von Instabilitäten in einem Quark-Gluon-Plasma, durchgeführt am Supercomputer VSC (Vienna Scientific Cluster). Figure 3: Three- and two-dimensional illustrations of the simulation of instabilities in a quark-gluon plasma, generated by researchers of the Institute for Theoretical Physics at the TU Wien on the VSC (Vienna Scientific Cluster) supercomputer.

ly competitive research at the frontier of particle physics. Since making novel contributions requires extreme specialisation, in the case of theoretical as well as experimental physicists, this doctoral programme assures that young researchers attain a broad understanding of all relevant aspects of current research in particle physics. The aim is to create opportunities for an independent research career through joint efforts with international research in various collaborations and in research centres such as CERN, ILL Grenoble, GSI Darmstadt, and the KEK in Japan, as well as making the graduates attractive

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attraktiv für eine Laufbahn in hochentwickelten Wirtschaftszweigen machen. Speziell an der TU Wien wird auf der experimentellen Seite Spitzenforschung mit ultrakalten Neutronen geboten, mit denen die Grenzen des Standardmodells der Teilchenphysik ausgelotet werden sollen. Auf dem Gebiet der theoretischen Physik trägt die TU Wien international anerkannte Forschung auf den Gebieten Gravitation, Quark-Gluon-Plasmaphysik und Stringtheorie bei, die Anknüpfungspunkte zur Teilchenphysik auf allen Energiebereichen bis hin zur Kosmologie und Astroteilchenphysik haben. Besonders fruchtbar sind hierbei oft Kooperationen zwischen benachbarten Forschungsgebieten. So haben Methoden aus der Gravitations- und Stringtheorie neue Ansätze für die Behandlung des sogenannten Quark-Gluon-Plasmas geliefert, einem Materiezustand, der das frühe Universum während der ersten paar Mikrosekunden nach dem Urknall erfüllte, und der bei extrem hochenergetischen Schwerionenkollisionsexperimenten am LHC des CERN erzeugt und untersucht wird. Das untenstehende Bild zeigt numerische Simulationen von Instabilitäten im Quark-Gluon-Plasma, deren Theorie an der TU Wien entwickelt wurde und die in der Folge am Supercomputer VSC durchgeführt wurden. Das Doktoratskolleg „Particles and Interactions“ wird überdies durch eine Kooperation mit der International Max-Planck Research School (IMPRS) on Elementary Particle Physics in München und dem Doktoratskolleg „Hadrons in Vacuum, Nuclei, and Stars“ an der Universität Graz erweitert, mit denen gemeinsame Ausbildungsveranstaltungen organisiert werden. Thorsten Schumm „Komplexe Quantensysteme“ (CoQuS): Ausbildung in Quantenforschung Quantenphysik beschreibt die Welt auf der Ebene der „kleinsten Teilchen“ wie Atomen und Molekülen. Allerdings werden zunehmend auch Quanteneffekte in komplexeren Systemen gefunden und untersucht. Es stellt sich nun die Frage, wo die Grenze zwischen klassischer

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candidates for a career in technically advanced commercial fields. Specifically, the TU Wien provides access to cutting-edge experimental research on ultra-cold neutrons, used to investigate the limits of the Standard Model of particle physics. In the field of theoretical physics, the TU Wien contributes internationally recognized research on gravitation, quark-gluon-plasma physics, and string theory, which are of relevance to particle physics on all energy scales, including cosmology and astro-particle physics. In this case, collaborations between similar research fields are often particularly fruitful. As an example, the methods used in gravitation and string theory have provided new approaches for the treatment of so-called quark-gluon plasmas, a state of matter that characterised the early universe during the first few microseconds after the Big Bang and that is generated and investigated during extremely high-energy heavy ion collision experiments at the LHC at CERN. The image below shows numerical simulations of instabilities in the quark-gluon plasma that are based on theory developed at the TU Wien and tested on the VSC supercomputer. The doctoral programme Particles & Interactions is reinforced by collaborations with the International Max Planck Research School (IMPRS) on Elementary Particle Physics in Munich and the doctoral programme “Hadrons in Vacuum, Nuclei, and Stars” at the University of Graz, with whom joint educational and training events are organised. Thorsten Schumm “Complex Quantum Systems” (CoQuS): Education in quantum research Quantum physics describes the world on the scale of the “smallest particles”, such as atoms and molecules. However, quantum effects are also increasingly being discovered and investigated in more complex systems. The question now arises: where is the border between classic physics and quantum physics? Or, why do we generally not observe quantum phenomena during our

attraktiv für eine Laufbahn in hochentwickelten Wirtschaftszweigen machen. Speziell an der TU Wien wird auf der experimentellen Seite Spitzenforschung mit ultrakalten Neutronen geboten, mit denen die Grenzen des Standardmodells der Teilchenphysik ausgelotet werden sollen. Auf dem Gebiet der theoretischen Physik trägt die TU Wien international anerkannte Forschung auf den Gebieten Gravitation, Quark-Gluon-Plasmaphysik und Stringtheorie bei, die Anknüpfungspunkte zur Teilchenphysik auf allen Energiebereichen bis hin zur Kosmologie und Astroteilchenphysik haben. Besonders fruchtbar sind hierbei oft Kooperationen zwischen benachbarten Forschungsgebieten. So haben Methoden aus der Gravitations- und Stringtheorie neue Ansätze für die Behandlung des sogenannten Quark-Gluon-Plasmas geliefert, einem Materiezustand, der das frühe Universum während der ersten paar Mikrosekunden nach dem Urknall erfüllte, und der bei extrem hochenergetischen Schwerionenkollisionsexperimenten am LHC des CERN erzeugt und untersucht wird. Das untenstehende Bild zeigt numerische Simulationen von Instabilitäten im Quark-Gluon-Plasma, deren Theorie an der TU Wien entwickelt wurde und die in der Folge am Supercomputer VSC durchgeführt wurden. Das Doktoratskolleg „Particles and Interactions“ wird überdies durch eine Kooperation mit der International Max-Planck Research School (IMPRS) on Elementary Particle Physics in München und dem Doktoratskolleg „Hadrons in Vacuum, Nuclei, and Stars“ an der Universität Graz erweitert, mit denen gemeinsame Ausbildungsveranstaltungen organisiert werden. Thorsten Schumm „Komplexe Quantensysteme“ (CoQuS): Ausbildung in Quantenforschung Quantenphysik beschreibt die Welt auf der Ebene der „kleinsten Teilchen“ wie Atomen und Molekülen. Allerdings werden zunehmend auch Quanteneffekte in komplexeren Systemen gefunden und untersucht. Es stellt sich nun die Frage, wo die Grenze zwischen klassischer

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candidates for a career in technically advanced commercial fields. Specifically, the TU Wien provides access to cutting-edge experimental research on ultra-cold neutrons, used to investigate the limits of the Standard Model of particle physics. In the field of theoretical physics, the TU Wien contributes internationally recognized research on gravitation, quark-gluon-plasma physics, and string theory, which are of relevance to particle physics on all energy scales, including cosmology and astro-particle physics. In this case, collaborations between similar research fields are often particularly fruitful. As an example, the methods used in gravitation and string theory have provided new approaches for the treatment of so-called quark-gluon plasmas, a state of matter that characterised the early universe during the first few microseconds after the Big Bang and that is generated and investigated during extremely high-energy heavy ion collision experiments at the LHC at CERN. The image below shows numerical simulations of instabilities in the quark-gluon plasma that are based on theory developed at the TU Wien and tested on the VSC supercomputer. The doctoral programme Particles & Interactions is reinforced by collaborations with the International Max Planck Research School (IMPRS) on Elementary Particle Physics in Munich and the doctoral programme “Hadrons in Vacuum, Nuclei, and Stars” at the University of Graz, with whom joint educational and training events are organised. Thorsten Schumm “Complex Quantum Systems” (CoQuS): Education in quantum research Quantum physics describes the world on the scale of the “smallest particles”, such as atoms and molecules. However, quantum effects are also increasingly being discovered and investigated in more complex systems. The question now arises: where is the border between classic physics and quantum physics? Or, why do we generally not observe quantum phenomena during our

Physik und Quantenphysik verläuft, bzw. warum wir im Alltag normalerweise keine Quantenphänomene beobachten. Diese und ähnliche Fragestellungen beschäftigen die Forscherinnen und Forscher, fließen aber zunehmend auch in Lehre und Doktoratsausbildung ein. Die Ausbildung von Studierenden im Bereich Quantenforschung erfolgt in Wien über eine universitätsübergreifende Graduiertenschule (TU Wien und Universität Wien) zu „komplexen Quantensystemen“, die auf einem FWF-geförderten Doktoratskolleg aufsetzt. Durch Koordination der Lehre von 12 teilnehmenden Forschungsgruppen kann ein breites Spektrum thematisch optimal abgedeckt werden. Zusätzlich findet einmal wöchentlich ein CoQuS-Kolloquium statt, welches internationale Experten als Sprecher einlädt und gleichzeitig den Studierenden die Möglichkeit bietet, ihre Arbeit zu präsentieren. Im Rahmen der Graduiertenschule haben Studierende Zugang zu zusätzlichen Sprachkursen, soft-skillTrainings sowie einem Mentoringprogramm. Es findet eine jährliche Klausurtagung sowie eine von Studierenden organisierte einwöchige Sommerschule statt. Seit Beginn der Graduiertenschule haben 33 CoQuS-Studierende promoviert (3 davon Frauen), derzeit hat CoQuS 54 Mitglieder (7 davon Frauen). Die TU Wien unterstützt das CoQuS durch in-kind-Leistungen sowie ein Commitment von 10% der FWF- Fördersumme (TU-Anteil). Gerhard J. Schütz „NanoCell“: Neue Technologien für das Studium zellulärer Nanostrukturen An der TU Wien gewinnen interdisziplinäre Themen, die an der Schnittstelle von Physik, Biologie, Chemie, Informatik, (Bio-)Mechanik und Medizin angesiedelt sind, eine rasch zunehmende und fakultätsübergreifende Bedeutung in der Forschung, aber auch in der Lehre. Unter anderem trägt das Doktoratskolleg „NanoCell“ diesem Trend Rechnung. Das wissenschaftliche Ziel dieses vom FWF geförderten Doktoratskollegs ist es, Einblick in die Dynamik und die molekulare Organisation lebender Materie zu

everyday lives? These and related issues are at the focus of current research, but are also increasingly part of teaching and doctoral education. The education of doctoral candidates in the field of quantum research in Vienna is organised into an inter-university post-graduate school (the TU Wien and the University of Vienna) on Complex Quantum Systems, which is based upon an FWF-sponsored doctoral programme. The coordination of teaching by the twelve participating research groups makes it possible to optimally cover a broad spectrum of topics. In addition, there is a weekly CoQuS colloquium that invites international experts and provides doctoral candidates with an opportunity to present their work. Doctoral candidates also have access to additional language courses, softskill training, and a mentoring programme through the post-graduate school. An annual retreat takes place, as well as a one-week summer school organised by the students themselves. Since the launch of the post-graduate school, 33 CoQuS candidates have graduated (three of which are women). CoQuS currently has 54 candidates (including seven women). The TU Wien supports the CoQuS through in-kind contributions as well as by committing 10% of its FWF funding (TU portion). Gerhard J. Schütz “NanoCell”: New Technologies for the study of cellular nanostructures At the TU Wien, interdisciplinary subjects at the crossroads of physics, biology, chemistry, informatics, (bio-) mechanics, and medicine are rapidly gaining importance throughout the faculties, in research as well as in instruction. The NanoCell doctoral programme is one reflection of this trend. The scientific goal of the FWF-funded doctoral programme is to achieve an understanding of the dynamics and molecular organisation of living matter. One focus of research is the investigation of how molecules are specifically recognized on the surface of cells, how they self-organise into molecular assemblies and how, in de-

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Physik und Quantenphysik verläuft, bzw. warum wir im Alltag normalerweise keine Quantenphänomene beobachten. Diese und ähnliche Fragestellungen beschäftigen die Forscherinnen und Forscher, fließen aber zunehmend auch in Lehre und Doktoratsausbildung ein. Die Ausbildung von Studierenden im Bereich Quantenforschung erfolgt in Wien über eine universitätsübergreifende Graduiertenschule (TU Wien und Universität Wien) zu „komplexen Quantensystemen“, die auf einem FWF-geförderten Doktoratskolleg aufsetzt. Durch Koordination der Lehre von 12 teilnehmenden Forschungsgruppen kann ein breites Spektrum thematisch optimal abgedeckt werden. Zusätzlich findet einmal wöchentlich ein CoQuS-Kolloquium statt, welches internationale Experten als Sprecher einlädt und gleichzeitig den Studierenden die Möglichkeit bietet, ihre Arbeit zu präsentieren. Im Rahmen der Graduiertenschule haben Studierende Zugang zu zusätzlichen Sprachkursen, soft-skillTrainings sowie einem Mentoringprogramm. Es findet eine jährliche Klausurtagung sowie eine von Studierenden organisierte einwöchige Sommerschule statt. Seit Beginn der Graduiertenschule haben 33 CoQuS-Studierende promoviert (3 davon Frauen), derzeit hat CoQuS 54 Mitglieder (7 davon Frauen). Die TU Wien unterstützt das CoQuS durch in-kind-Leistungen sowie ein Commitment von 10% der FWF- Fördersumme (TU-Anteil). Gerhard J. Schütz „NanoCell“: Neue Technologien für das Studium zellulärer Nanostrukturen An der TU Wien gewinnen interdisziplinäre Themen, die an der Schnittstelle von Physik, Biologie, Chemie, Informatik, (Bio-)Mechanik und Medizin angesiedelt sind, eine rasch zunehmende und fakultätsübergreifende Bedeutung in der Forschung, aber auch in der Lehre. Unter anderem trägt das Doktoratskolleg „NanoCell“ diesem Trend Rechnung. Das wissenschaftliche Ziel dieses vom FWF geförderten Doktoratskollegs ist es, Einblick in die Dynamik und die molekulare Organisation lebender Materie zu

everyday lives? These and related issues are at the focus of current research, but are also increasingly part of teaching and doctoral education. The education of doctoral candidates in the field of quantum research in Vienna is organised into an inter-university post-graduate school (the TU Wien and the University of Vienna) on Complex Quantum Systems, which is based upon an FWF-sponsored doctoral programme. The coordination of teaching by the twelve participating research groups makes it possible to optimally cover a broad spectrum of topics. In addition, there is a weekly CoQuS colloquium that invites international experts and provides doctoral candidates with an opportunity to present their work. Doctoral candidates also have access to additional language courses, softskill training, and a mentoring programme through the post-graduate school. An annual retreat takes place, as well as a one-week summer school organised by the students themselves. Since the launch of the post-graduate school, 33 CoQuS candidates have graduated (three of which are women). CoQuS currently has 54 candidates (including seven women). The TU Wien supports the CoQuS through in-kind contributions as well as by committing 10% of its FWF funding (TU portion). Gerhard J. Schütz “NanoCell”: New Technologies for the study of cellular nanostructures At the TU Wien, interdisciplinary subjects at the crossroads of physics, biology, chemistry, informatics, (bio-) mechanics, and medicine are rapidly gaining importance throughout the faculties, in research as well as in instruction. The NanoCell doctoral programme is one reflection of this trend. The scientific goal of the FWF-funded doctoral programme is to achieve an understanding of the dynamics and molecular organisation of living matter. One focus of research is the investigation of how molecules are specifically recognized on the surface of cells, how they self-organise into molecular assemblies and how, in de-

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gewinnen. Es wird untersucht, wie Moleküle auf der Oberfläche von Zellen spezifisch erkannt werden, wie sie sich in molekulare Assoziate organisieren und wie zelluläre Prozesse wie Membran-Transport und -Motilität im Detail initialisiert und durchgeführt werden. Da das Projekt Forschung an den Schnittstellen von Lebens-, Zell- und Nanowissenschaften beinhaltet, wird es in vielen wissenschaftlichen und technologischen Bereichen Anwendung finden, wie in der Biophysik, Zellbiologie, Nanotechnologie, der angewandten und theoretischen Physik, der bio-organischen und anorganischen Chemie, der Struktur- und Molekular-Biologie, in der mathematischen Modellierung und im wissenschaftlichen Computing. Daher soll es den Doktoratsstudierenden fundamentale Grundlagen für ein dauerhaftes berufliches Wachstum zur Verfügung stellen. Etablierte nano-analytische und nanoskopische Techniken mit Sub-Nanometer bis Mikrometer Auflösung decken den gesamten Bereich von einzelnen Molekülen zu molekularen Assoziaten und lebenden Zellen ab und stellen, komplementiert durch innovative Zellbiologie und Datenanalyse, eine solide Basis für die Ausbildung und das Training der Studierenden im NanoCell Programm dar. Diese Methoden werden sorgfältig entwickelt und auch für technische Applikationen in der Erforschung von molekularen Prozessen benutzt, wie zum Beispiel für high throughput screening Biochips. Neben dem Institut für Angewandte Physik der TU Wien sind in dieses interdisziplinäre Graduiertenprogramm auch die Institute für Biophysik, Angewandte Physik, Organische Chemie, Anorganische Chemie, Polymerwissenschaften und Theoretische Physik der Johannes Kepler Universität Linz (JKU), das Institute of Science and Technology (IST) sowie die Forschungsgruppe „Computational Mathematics for Direct Field Problems“ am Johann Radon Institute for Computational and Applied Mathematics (RICAM) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften eingebunden.

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tail, cellular processes such as membrane transport and motility are initiated and executed. The range of scientific and technological applications of the project, since it incorporates research at the intersections of life science, cell science, and nanoscience, will be broad, involving biophysics, cell biology, nanotechnology, applied and theoretical physics, organic and inorganic chemistry, structural and molecular biology, mathematical modelling, and scientific computing. For these reasons, the programme aims to provide doctoral candidates with the foundation for sustained professional growth. Established nano-analytical and nanoscopic techniques with sub-nanometer to micron resolution cover the entire range, from individual molecules to molecular assemblies and living cells, and represent, together with complementary innovative cell biology and data analysis, a solid foundation for the education and training of the students in the NanoCell programme. These methods are being carefully developed and are also used for technical applications in molecular process research, such as, for example, for high throughput screening biochips. This interdisciplinary post-graduate programme incorporates, in addition to the Institute for Applied Physics of the TU Wien, the institutes of Biophysics, Applied Physics, Organic Chemistry, Inorganic Chemistry, the Institute of Polymer Science and Theoretical Physics of the Johannes Kepler University in Linz (JKU), the Institute of Science and Technology (IST), and the Computational Mathematics for Direct Field Problems Research Group at the Johann Radon Institute for Computational and Applied Mathematics (RICAM) of the Austrian Academy of Sciences.

PHYSIK DER MATERIE PHYSICS OF MATTER Dieser breite Forschungsschwerpunkt der Fakultät für Physik umfasst in einer thematisch übergreifenden Form festkörper- und quantenphysikalische Forschungsgebiete, die sowohl mit experimentellen, als auch theoretischen Methoden eingehend untersucht werden.  This broad research focus area of the Faculty of Physics encompasses, in a thematically overarching approach, solid-state and quantum-physical research areas, which are examined using both experimental and theoretical methods.

Ernst Bauer, Silke Bühler-Paschen, Josef Fidler, Dieter Süss

„ADVANCED“ MATERIALIEN UND OBERFLÄCHEN ADVANCED MATERIALS AND SURFACES Ernst Bauer, Silke Bühler-Paschen Thermoelektrika Thermoelektrizität ist die Fähigkeit eines Materials, einen über diesem Material anliegenden Temperaturgradienten mittels des Seebeck-Effekts in eine elektrische Spannung überzuführen. Liegt ein geschlossener Stromkreis mit ohmschen Widerständen vor, so fließt elektrischer Strom und elektrische Leistung wird generiert. Fließt umgekehrt Strom über eine Verbindung zweier unterschiedlicher Materialien, entsteht aufgrund des Peltier-Effekts ein Temperaturgradient. Beide Effekte haben hohes Anwendungspotenzial (thermoelektrische Generatoren bzw. thermoelektrische Kühlung). Obwohl diese Phänomene seit fast 200 Jahren bekannt sind, dauerte es bis in die 1950er Jahre, ehe erstmals thermoelektrische Anwendungen auf der Basis von hochdotierten Halbleitermaterialien (z.B. Bi2Te3 oder Si-Ge-Verbindungen) erfolgten. Da die Effizienz der Energieumwandlung gering war, blieben entsprechende Anwendungen auf einige Spezialfälle beschränkt. Mildred Dresselhaus’ Idee der Optimierung durch Nanostrukturierung und George Nolas’ Konzept des Phononen-Glases und Elektronen-Kristalls eröffneten aber in den vergangenen zwei Jahrzehnten grundlegend neue Wege, thermoelektrische Materialien mit hohen Wirkungsgraden gezielt zu entwickeln. Am Institut für Festkörperphysik stehen zwei Materialklassen im Fokus: Skutterudite und Clathrate. Beide verkörpern die oben skizzierten Konzepte sehr gut. In ihren Kristallsystemen sind elektropositive Elemente in käfigartigen Hohlräumen eingesperrt, die durch den Kristallaufbau der restlichen Elemente erzeugt werden. Diese Gastatome sind schwächer gebunden als die an-

Abb. 1: Thermoelektrischer Generator mit ohmscher Last. Figure 1: Thermoelectric generator with ohmic load.

Ernst Bauer, Silke Bühler-Paschen Thermoelectrics Thermoelectricity is the ability of a material to convert a temperature gradient across a material into an electrical voltage by means of the Seebeck effect. If a closed electric circuit with ohmic resistance is provided, then an electric current begins to flow and electric power is generated. In reverse, if a current flows across the juncture of two different materials, then a temperature gradient is created due to the Peltier effect. Both effects have a high potential for application (thermoelectric generators and thermoelectric cooling).

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Abb. 2: Schematische Kristallstruktur eines Typ I Clathrats. Die Abbildung wurde mit Hilfe von VESTA 31 erstellt Figure 2: Schematic crystal structure of a type I clathrate. This illustration was generated with assistance from VESTA 3.1

deren Elemente der Einheitszelle und haben daher größere Schwingungsamplituden um ihren Gitterruheplatz. Dies führt zu starken Wechselwirkungen mit jenen Gitterschwingungen, die Wärme durch den Kristall transportieren. Als Konsequenz ergeben sich eine dramatisch reduzierte thermische Leitfähigkeit und daher ein substantieller Anstieg der thermoelektrischen Leistungsfähigkeit, die ein Maß für die thermoelektrische Effizienz solcher Materialien ist. Durch gezielte Veränderung der elektronischen und phononischen Struktur über Substitution und Dotierung, sowie der Bereitstellung von Streuzentren auf Nanometer- bis Mikrometer-Skalen ist es am Institut für Festkörperphysik gelungen, die thermoelektrische Leistungsfähigkeit dieser Materialien in den absoluten Spitzenbereich auf internationaler Ebene zu bringen. So besitzen z.B. Skutterudite, die in einer Kooperation der TU Wien und der Universität Wien hergestellt und untersucht wurden, den zurzeit weltweit höchsten Wert der thermoelektrischen Effizienz in dieser Materialklasse. Dies führte bereits zur industriellen Wertschöpfung durch die Schaffung einer seriennahen Produktionsroute in Österreich (TIAG, Althofen), sowie zur Weltmarkt-

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Even though these phenomena have been known for almost 200 years, initial thermoelectric applications using highly doped semiconductors (for example Bi2Te3 or Si-Ge compounds) were not realised until the 1950s. Since the energy conversion efficiency was low, applications remained limited to a few special cases. However, Mildred Dresselhaus’ idea of optimisation through nanostructuring and George Nolas’ concept of the phonon glass and the electron crystal have provided, over the course of the past two decades, fundamentally new approaches for developing thermoelectric materials with high levels of efficiency. Two classes of materials are the primary focus of the Institute of Solid State Physics: skutterudites and clathrates (Fig. 2). Both are very good representatives of the concepts mentioned above. In their crystal structures electropositive elements are trapped as guest atoms in cage-like cavities formed by host atoms. The guest atoms are weakly bound compared to the other elements of the unit cell, and exhibit larger oscillation amplitudes for this reason. This leads to strong interactions with those lattice vibrations that transport heat through the crystal. As a consequence, this gives rise to a dramatically reduced thermal conductivity and therefore to a substantial increase in thermoelectric performance, a measure of the thermoelectric efficiency of such materials. Through the specific modification of the electronic and phononic structure via substitution and doping as well as the introduction of scattering centres on nanometre and micrometre scales, the efforts of the Institute of Solid State Physics have successfully raised the thermoelectric performance of these materials to an absolute top range internationally. As an example, skutterudites produced and investigated as part of a collaboration of the TU Wien and the University of Vienna currently have the highest thermoelectric efficiency worldwide in this class of materials. This development has already provided added value to industry through the creation of a route that is almost ready for serial production (TIAG in Althofen), as well as holding a global market leadership role regarding the

führerschaft bezüglich der Erzeugung dieses Materials. Durch das Christian Doppler Labor für Thermoelektrizität soll diese Spitzenstellung gehalten bzw. in Zukunft noch ausgebaut werden.

Abb.1: (a) Nanoanalytische HREM Untersuchung der Mikrostruktur eines (Nd,Pr)2Fe14B Sintermagneten. (b) Mikromagnetische Simulation der Ummagnetisierungsprozesse. Figure 1: (a) Nanoanalytical HREM investigations of the microstructure of a (Nd,Pr)2Fe14B singered magnet. (b) Micro-magnetic simulation of the reversal of magnetisation.

Josef Fidler Advanced Magnets Ein gesteigertes Umweltbewusstsein und die Verknappung von Rohstoffen führen zur Suche nach neuartigen hartmagnetischen Legierungen und Herstellungstechnologien. Dies trifft auch auf die wichtigsten Dauermagnetwerkstoffe zu, die auf intermetallischen Legierungen von Seltenen Erden mit Eisen bzw. Kobalt basieren. Der Beitrag des Instituts für Festkörperphysik zum EU FP7 Forschungsprojekt ROMEO (NMP.2012-309729, „Replacement and Original Magnet Engineering Options“; das Akronym NMP steht für „Nanosciences, nanotechnologies, materials, and new production technologies“) befasst sich mit der Optimierung der hartmagnetischen Eigenschaften bei einer Reduzierung des Anteils an Seltenen Erden, vor allem von Dysprosium. Dabei spielen nanoanalytische Untersuchungen im Hochauflösungselektronenmikroskop eine bedeutende Rolle (Abb. 1a).

production of the material. The goal is to maintain this top ranking and to further expand it by collaborations within the Christian Doppler Laboratory for Thermoelectricity. Josef Fidler Advanced Magnets The search for innovative hard magnetic alloys and manufacturing technologies is motivated by an increased awareness for the environment and the increasing scarcity of raw materials. This is also true of the most important permanent magnet materials, based on intermetallic alloys made of rare earths with iron or cobalt. The subject of the Institute of Solid State Physics’ presentation at the EU FP7 ROMEO research project (NMP.2012-309729, “Replacement and Original Magnet

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Abb.2: (a) Mikromagnetische Simulation der Ummagnetisierung von gepackten Co-Nanozylindern mit Durchmesser D = 20nm und Höhe H = 100nm. (b) Ummagnetisierung von Nanozylindern mit D = 20 nm und H = 1000 nm. Figure 2: (a) Micromagnetic simulation of the reversal of magnetisation of packed Co nanocylinders with a diameter of D = 20nm and a height of H = 100nm. (b) Reversal of nanocylinder magnetisation with D = 20 nm and H = 1,000 nm.

Aus der Bestimmung der Zusammensetzung und Kristallstruktur von Korngrenzphasen und der quantenmechanischen Berechnung der Elektronenstruktur der intrinsischen magnetischen Eigenschaften konnten wichtige Aussagen über die zu erwartende Koerzitivfeldstärke gemacht werden. Neuartig ist die Kombination aus der Ab-initio-Berechnung der Eingabeparameter und der numerischen mikromagnetischen Simulation der Hysterese-Eigenschaften mit Hilfe der Finite-Element-Methode, die den Einfluss der realen Mikrostruktur beschreibt und auf der Lösung der sogenannten Landau-Lif­shitzGilbert Gleichung in jedem Element beruht. Die Ummagnetisierungsprozesse werden sowohl durch die lokale Anisotropiefeldstärke, als auch vom entmagnetisierenden Feld an der Korngrenzphase beeinflusst (Abb. 1b).

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Engineering Options”, with the acronym NMP standing for “Nanosciences, nanotechnologies, materials, and new production technologies”) is the optimisation of hard magnetic properties along with a reduction of the proportion of rare earth used, primarily dysprosium. In this context, nanoanalytical investigations using a high-resolution electron microscope play an important role (Fig. 1a). By determining the composition and the crystal structure of the grain boundary phases and the quantum mechanical calculation of the electron structure of the intrinsic magnetic properties, it was possible to make important predictions regarding expected coercive field strength. Novel is the combination of ab-initio calculation of input parameters and the numerical micromagnetic simulation of the hysteresis properties using the finite-element method, which describes the influence of the real microstructure and is based on the solution of the so-called Landau-Lifshitz-Gilbert equation. The reversal of magnetisation processes is affected by the local anisotropy field strength as well as by the demagnetising field at the grain boundary phase (Fig. 1b). As part of the EU FP7 research project REFREEPERMAG (NMP.2011-280670, “Rare Earth Free Permanent Magnets”) the limits of the hard magnetic material properties and thermal stability of rare earth-free cobalt and iron nanostructures (Fig. 2a) are determined using micromagnetic simulations. Aside from the magnetic crystal anisotropy and the form anisotropy, inhomogeneous reversal of magnetisation states at a diameter of > 20 nm limit the application range of hard magnetic mate-

Im Rahmen des EU FP7 Forschungsprojekts REFREEPERMAG (NMP.2011-280670, Rare Earth Free Permanent Magnets) werden die Grenzen von Seltenen Erd-freien Kobalt- bzw. Eisen-Nanostrukturen in Hinblick auf ihre hartmagnetischen Materialeigenschaften und der thermischen Stabilität mit Hilfe von mikroamagnetischen Simulationen bestimmt (Abb. 2a). Neben der magnetischen Kristallanisotropie und der Formanisotropie begrenzen inhomogene Ummagnetisierungszustände bei einem Durchmesser von > 20nm die Einsatzmöglichkeiten als Hartmagnetwerkstoffe (Abb. 2b). Die Ergebnisse der numerischen Simulationen konnten durch experimentelle Untersuchungen im Rahmen des Forschungsprojekts bestätigt werden. Dieter Süss Computational Physics: Zukünftige magnetische Sensoren und Materialien Sensoren auf Basis magnetischer Widerstandsänderungen sind in Festplatten derzeit Stand der Technik. Die Arbeitsgruppe Computational Physics arbeitet an detaillierten Computersimulationen, um diese Technik auch auf Anwendungen im Automobilsektor und im biologisch-medizinischen Bereich ausdehnen zu können. Im speziellen beschäftigt sich unsere Arbeitsgruppe mit GMR und TMR-Sensoren (giant magnetoresistance, GMR, und tunnel magnetoresistance, TMR). GMR-Sensoren beruhen auf dem Phänomen des Riesenmagnetowiderstands, für dessen Entdeckung 2007 der Physik-Nobelpreis vergeben wurde. Sie machen sich die Tatsache zunutze, dass die elektrische Leitfähigkeit von Materialien auch von deren magnetischer Orientierung abhängt. In speziellen Schichtsystemen aus unterschiedlichen Materialien können Elektronen nur dann gut durch die Schichten hindurchwandern, wenn die Magnetisierungsrichtungen genau parallel zueinander orientiert sind. Ist das nicht der Fall, versperren die Schichten den Weg, ein sogenannter „Riesenmagnetowiderstand“ (giant magnetoresistance, GMR) tritt auf.

rials (Fig. 2b). Within the scope of the research project, it was possible to confirm the results of the numerical simulations through experimental analysis.

Dieter Süss Computational Physics: Magnetic sensors and materials of the future Sensors based on resistance changes are the current state-of-the-art in hard drive applications. The Computational Physics Workgroup develops detailed computer simulations in order to expand the use of this technology to applications in the automotive sector and the bio-medical field. Specifically, our workgroup focuses on GMR and TMR sensors (giant magnetoresistance, GMR, and tunnel magnetoresistance, TMR). GMR sensors are based on the phenomenon of giant magnetoresistance, the discovery of which earned the Noble Prize for Physics in 2007. These sensors use the fact that electrical conductivity depends on materials as well as on their magnetic orientation. In certain multi-layer systems made of different materials, electrons can only traverse the layers well if the directions of magnetisation are oriented parallel to each other. The layers block the way when this is not the case, giving rise to giant magnetoresistance. TMR sensors are likewise based on a multi-layer system, with a non-magnetic layer positioned between two magnetic layers. They use the quantum mechanical phenomenon of magnetic tunnel resistance. GMR and TMR sensors are highly sensitive and feature 360° angular resolution. While they function very well on a practical level, a fundamental understanding of the actual processes in the fine layers is lacking. The research, which is financed and implemented to a large part through a Christian Doppler Laboratory and Infineon as industrial partner, depends on special software that was developed at the Institute of Solid State Physics at the TU Wien. The software was originally developed for the description of magnetic nanostructures.

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Auch TMR-Sensoren beruhen auf einem Schichtsystem, bei dem zwischen zwei magnetischen Schichten eine nicht-magnetische liegt. Sie nutzen das quantenmechanische Phänomen des magnetischen Tunnelwiderstandes. GMR- und TMR-Sensoren haben eine hohe Empfindlichkeit und eine 360°- Winkelauflösung. Ihre Anwendung funktioniert sehr gut, dennoch fehlt zu den tatsächlichen Vorgängen in den feinen Schichten noch Grundlagenwissen. Die Forschungsarbeit, welche zum Großteil durch ein Christian Doppler Labor mit dem Industriepartner Infineon finanziert und realisiert wird, baut auf einer speziellen Software auf, die am Institut für Festkörperphysik an der TU Wien entwickelt wurde. Ursprünglich wurde die Software für die Beschreibung von magnetischen Nanostrukturen entwickelt. Sie wird von führenden Festplattenherstellern für die Optimierung und das Design von GMR-Leseköpfen in Festplatten verwendet, wie in Abb. 1 zu sehen ist. Diese Software wird momentan für

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Abb. 1: Typische detailgetreue Modellierung eines GMR Leseelements. Ausgehend von Aufnahmen mit einem Transmissionselektronenmikroskop, wird ein Finites Element-Modell erstellt Figure 1: Typical true-to-detail modelling of a TMR reading element. Starting with recordings from a transmission electron microscope, a finite element model is created

Leading hard drive manufacturers use it for the optimisation and design of the TMR reading heads of hard drives, as shown in Fig. 1. The software’s capability is currently being expanded for application in the automotive industry and for use with bio-medical sensors. This specifically involves, for example, rotational speed measurements such as for ABS systems, or the detection of pathogens or cancer diagnostics. This is not as easy as one might assume, because the dimensions of the structure under investigation are significantly “larger”: While hard drive technology operates on the scale of nanometres, the automobile sector works in the micrometre range.

die Anwendung in der Automobilindustrie und für biologische/medizinische Sensoren erweitert. Konkret geht es zum Beispiel um Messungen bei Drehzahlsystemen wie dem ABS-System oder um Bestimmungen von Krankheitserregern oder Krebsdiagnostik. Dies ist nicht so einfach, wie man vermuten könnte, denn es geht hier um wesentlich „größere“ Dimensionen der zu untersuchenden Strukturen: Während die Festplattentechnologie im Nanometer-Bereich arbeitet, wird im Automobilsektor im Mikrometerbereich gearbeitet. Für Simulationen ist die Zahl der Unbekannten damit mindestens um einen Faktor 1000 höher. Für die Lösung dieser Aufgabe braucht es innovative und neue Modellierungskonzepte. Dazu wird an neuen mathematischen Lösungen und Algorithmen geforscht, zum Beispiel an hochparallelen Simulationsmethoden und an der Nutzung von Grafikprozessoren, um höhere Leistungsfähigkeit zu erreichen (GPU-Computing). Auf Basis der detaillierten Computersimulationen ist es möglich, Vorhersagen zum Verhalten der Sensoren zu treffen und neue Designs vorzuschlagen und so letztendlich dazu beizutragen, dass die Entwicklungszeiten und –kosten für neue Sensoren reduziert werden können. Neben der Hauptanwendung von GMR Sensoren in Festplattenlaufwerken und in der Automotivindustrie konnte im Rahmen dieser Forschung ein neuartiger Temperaturindikator entwickelt werden, dessen Material sich bei einem Temperaturanstieg irreversibel verändert. Ausgelesen wird er mit einem NFC-fähigen Handy. Die Methode kommt ohne Stromversorgung aus und ist äußerst kostengünstig. Eigens hergestellte Verbindungen aus Nickel, Mangan, Zinn und Kobalt können von einem paramagnetischen Zustand in einen ferromagnetischen Zustand wechseln, wenn sie erwärmt werden. Auch ein neuerliches Absenken der Temperatur macht diesen Zustandswechsel des magnetischen Schalters nicht rückgängig. Durch seine Magnetisierungsänderung ändert dieser Schalter das Magnetfeldfeld, welches auf einen GMR Sensor wirkt und mittels eines passiven RFID-Chips ausgelesen wird. Anwendungen für diese passiven Indi-

The number of unknowns in a simulation is therefore increased by at least a factor of 1,000. The solution to this problem requires innovative and novel modelling approaches. To this end, new mathematical solutions and algorithms are being researched, for example in the context of highly parallel simulation methods and the use of graphics processors to attain higher performance (GPU-computing). Using detailed computer simulations, it is possible to make predictions regarding the response of the sensors, to propose new designs, and to eventually contribute to the reduction of development times and costs for new sensors. Besides the primary application of TMR sensors in hard drives and the automotive industry, this research also made it possible to develop an innovative temperature indicator whose material changes irreversibly during a temperature increase. It is read with an NFC-capable cell phone. This method does not require electric power and is very economical. Custom-made compounds of nickel, manganese, tin, and cobalt can switch from a paramagnetic state to a ferromagnetic state when they are heated. Even lowering the temperature again does not reverse the phase change of the magnetic switch. Through its change in magnetisation, this switch changes the magnetic field, which acts on a GMR sensor, and read out via a passive RFID chip. Applications for these passive indicators can be found in temperature-controlling logic (i.e. food stuff refrigeration and frozen products) as well as in medical preparations, such as vaccinations, medications, and stored blood. One look at a reliable temperature indicator can not only warn against spoiled products, but also prevent the needless disposal of intact goods.

„Advanced“ Materialien und Oberflächen  | 41

katoren finden sich sowohl in der temperaturgeführten Logistik (z.B. Lebensmittelkühl- und Tiefkühlprodukte) als auch in medizinischen Präparaten wie Impfstoffen, Medikamenten oder Blutkonserven. Ein Blick auf einen zuverlässigen Temperaturindikator kann nicht nur vor verdorbenen Produkten warnen, sondern gleichzeitig unnötiges Entsorgen noch intakter Ware verhindern.

Anmerkung/Note 1 K. Momma and F.Izumi, “VESTA 3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data”, J. Appl. Crystallogr. 44 (2011) 1272.

42 |  Ernst Bauer, Silke Bühler-Paschen, Josef Fidler, Dieter Süss

Ulrike Diebold

OBERFLÄCHENPHYSIK – DAS TOR ZUM FESTKÖRPER UND DER WEG ZU ANWENDUNGEN SURFACE PHYSICS – THE GATEWAY TO SOLIDS AND THE PATH TO APPLICATION Die Arbeitsgruppe Oberflächenphysik am Institut für Angewandte Physik untersucht Festkörperoberflächen. Mithilfe der dabei eingesetzten Rastertunnelmikroskopie kann eine Oberfläche in atomar aufgelösten Bildern sichtbar gemacht werden. Hier ein kurzer Überblick, wie grundlegenden Untersuchungen für technologische Anwendungen relevante Ergebnisse liefern. Eine Welt ohne Oberflächen kann man sich gar nicht richtig vorstellen. Jeder Festkörper kommuniziert mit der Außenwelt über seine Oberfläche. Und mit zunehmender Miniaturisierung spielt die Oberfläche eine immer größere Rolle. Auf der kleinsten, der atomaren Skala sind Oberflächen faszinierend: wenn man einen beliebigen Körper in zwei Hälften teilt, dann fehlen den Atomen auf der Oberfläche plötzlich eine ganze Menge Nachbarn. Oft reagieren sie, indem sie sich massiv umordnen. Es lässt sich oft schwer voraussagen, wie sich diese sogenannten „Oberflächenrekonstruktionen“ manifestieren. Diese Strukturveränderungen können aber physikalische und chemische Eigenschaften stark verändern. So kann es sein, dass die chemische Reaktivität abnimmt, oder dass sich nahe der Oberfläche im Festkörper ein zwei-dimensionales Elektronengas ausbildet, das für neuartige Elektronikbauteile verwendet werden kann. In unserer Arbeitsgruppe werden Festkörper im atomaren Maßstab untersucht. Die dazu am besten geeignete Methode ist die Rastertunnelmikroskopie. Damit lassen sich Oberflächen im wahrsten Sinn des Wortes „abtasten“, und zwar mit der allerhöchsten möglichen Auflösung. Dabei wird eine scharfe Nadel – üblicher-

The Surface Physics Group at the Institute of Applied Physics studies solid surfaces. With the aid of scanning tunnelling microscopy, it is possible to render a surface visible through images with atomic resolution. This article provides a brief overview of how such fundamental studies can provide results that are relevant to technological applications. It is difficult to even imagine a world without surfaces. Every solid body communicates with the outside world through its surface. With increasing levels of miniaturisation, surfaces begin to play an ever-increasing role. On the smallest scale – the atomic scale – surfaces are fascinating: if one divides a given body into two halves, the atoms on the surface suddenly lose a large number of neighbours. They often respond by massively rearranging themselves. It is difficult to predict how these so-called “surface reconstructions” will manifest themselves. These structural changes can, however, greatly change both physical and chemical properties. For example, chemical reactivity may decrease or a two-dimensional electron gas may form near the surface in the solid, which can be used for innovative new electronic components. Our work group studies solids at an atomic scale. The most suitable method for this is scanning tunnelling microscopy. Using a scanning tunnelling microscope, surfaces can be “scanned” in the truest sense of the word and at the very highest possible resolution. The process uses a sharp needle – usually a wire made of tungsten or platinum that has been etched to an extremely sharp tip – moved over the surface at a distance of half a nano-

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weise ein zu einer äußerst scharfen Spitze geätzter Draht aus Wolfram oder Platin – im Abstand von einem halben Nanometer über die Oberfläche geführt ( Abb. 1). Der zwischen einer leitenden, geeignet gepolten Oberfläche und dieser Spitze fließende Tunnelstrom erlaubt so, die „Elektronenwolken“ (genauer gesagt, die Zustandsdichten) auf der Oberfläche sichtbar zu machen. Damit kann man atomare Auflösung erzielen und auch die elektronischen Eigenschaften direkt vermessen. Am Institut für Angewandte Physik sind einige solcher Mikroskope im Einsatz. Um die Probenoberflächen unter möglichst kontrollierten Bedingungen untersuchen zu können, befinden sich die eigentlichen Mikroskope in Ultrahochvakuumkammern (Abb. 1). Zusätzlich werden auch verschiedenste spektroskopische Methoden verwendet. Die Proben werden auch gezielt modifiziert, etwa um herauszufinden, wie verschiedene Gase mit einem Festköper reagieren, oder wie sich kleinste Cluster aus Metallatomen verhalten, wenn sie auf geeignete Proben aufgebracht werden. Die Arbeitsgruppe Oberflächenphysik konzentriert sich hauptsächlich auf Metalloxide. Diese Materialien haben eine enorm weite Bandbreite von Eigenschaf-

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Abb.1: Ein am Institut für Angewandte Physik verwendetes Rastertunnelmikroskop. Diese Experimente werden im Ultrahochvakuum durchgeführt. Im Inneren der hier abgebildeten Stahlkammern herrschen kleinste Drücke, bei denen die Dichte des Gases mit der im interstellaren Raum vergleichbar ist. Das kleine Bild rechts oben zeigt das Herzstück des Mikroskops innerhalb einer solchen Ultrahochvakuumkammer. Die scharfe Metallspitze (hier sieht man auch ihr Spiegelbild auf einer hochpolierten Oberfläche eines polierten Rhodium-Einkristalls) wird mithilfe von Piezoelementen mit einer Genauigkeit von tausendstel Nanometer über eine Probe bewegt. Die aus dieser Bewegung gewonnenen Bilder lassen Rückschlüsse über atomare Prozesse auf Oberflächen zu. Figure 1: A scanning tunnelling microscope in use at the Institute of Applied Physics. These experiments are performed in an ultrahigh vacuum. Pressures inside of the steel chambers pictured here are extremely low, resulting in a gas density comparable to that of interstellar space. The small photo in the upper right shows the heart of the microscope within such an ultra-high vacuum chamber. The sharp metal tip (here one also sees its reflection on a highly polished surface of a rhodium single crystal) is moved over a sample with the aid of piezo elements with an accuracy of thousandths of a nanometre. The images acquired by means of this movement allow conclusions to be drawn about atomic processes on surfaces.

metre. The tunnel current that flows between a conductive, appropriately polarised surface and this tip renders the “electron cloud” (or, more precisely, the density of states) on the surface visible. This thereby enables the attainment of atomic resolution as well as the direct measurement of electronic properties. The Institute of Applied Physics has a number of such microscopes in use. In order to study the sample sur­ faces under conditions that are as controlled as possible, the actual microscopes are located in ultrahigh vacuum chambers (Fig. 1). In addition to microscopy, a wide range of spectroscopic methods are also employed. Samples are also intentionally modified to determine how various gases react with a solid or how the smallest clusters of metal atoms behave when placed on suitable samples. In these studies, the Surface Physics Group concentrates primarily on metal oxides, materials that have an extremely broad range of properties – they include both high-temperature superconductors and the best insulators. Thin oxide layers on metal surfaces can drastically

ten – von Hochtemperatursupraleitern bis zu den besten Isolatoren. Dünne Oxidschichten auf Metalloberflächen können deren Korrosionsbeständigkeit drastisch erhöhen (man denke nur an Aluminium, das aufgrund seines Oberflächenoxids aggressiven Chemikalien widerstehen kann). Andererseits werden Metalloxide auch als hochreaktive Katalysatoren in der chemischen Industrie eingesetzt. Einige Forschungsergebnisse der Arbeitsgruppe Oberflächenphysik werden wir nun genauer beleuchten. Diese Arbeiten werden durch außeruniversitäre Drittmittel gefördert, hauptsächlich durch einen Advanced Grant des European Research Councils und den FWF. Perfektion ist nicht immer optimal Abb. 2 zeigt ein Rastertunnelmikroskopiebild von Titanoxid. Dieses Material, das in vielfältigen industriellen Anwendungen Verwendung findet, wird in der Arbeitsgruppe Oberflächenphysik besonders eingehend untersucht. Titanoxid ist ein beliebter Fotokatalysator, das heißt es „verbrennt“ bei Raumtemperatur unter Einwirkung von Sonnenlicht andere Verbindungen. Von großem Interesse sind hier Defekte, also Bereiche, an denen die atomare Anordnung an der Oberfläche nicht ganz perfekt ist. Zum Beispiel können sehr leicht einzelne Sauerstoffatome fehlen. Diese Defekte sind im Rastertunnelmikroskop gut sichtbar und chemische Reaktionen einzelner Moleküle können direkt verfolgt werden. Die Spitze eines Rastertunnelmikroskops kann aber auch dafür verwendet werden, einzelne Atome oder Moleküle auf Oberflächen gezielt zu bewegen. Ein Beispiel ist in Abb. 3 dargestellt. Hier wurde ein nur einige Nanometer breites Gebiet mit der Spitze gescannt. Durch die in diesem Fall außergewöhnlich hoch gewählte Tunnelspannung wurden Fehlstellen vom Inneren des Festkörpers zur Oberfläche gezogen. Diese strom- und spannungsinduzierte Bewegung von Defekten ist das Funktionsprinzip von neuartigen elektronischen Bauelementen, den sogenannten Memristoren.

Abb. 2. Ein mit einem Rastertunnelmikroskop aufgenommenes Bild einer Titanoxidoberfläche. Die Sauerstoffatome sind auf dieser Oberfläche regelmäßig angeordnet. Für chemische Reaktionen besonders interessant sind aber Fehlstellen, da diese als Reaktionszentren dienen. Figure 2: A picture of a titanium oxide surface taken with a scanning tunnelling microscope. The oxygen atoms have a regular arrangement on this surface. Of particular interest for chemical reactions, however, are the imperfections, as these serve as reaction centres.

increase their corrosion resistance (one need only think of aluminium, which can withstand aggressive chemicals due to its surface oxide). On the other hand, metal oxides are also used as highly reactive catalysts in the chemical industry. We will now go into greater detail on a number of the group’s recent research findings. These projects were supported by non-university third party funding, primarily through an Advanced Grant from the European Research Council and the Austrian Science Fund (FWF).

Perfection is Not Always Ideal Fig. 2 shows a scanning tunnelling microscopy image of titanium oxide. This material, which is used in a variety of industrial applications, is studied extensively by the Surface Physics Group. Titanium oxide is a popular photocatalyst. This means that it “burns” other compounds at room temperature when exposed to sunlight. Of particular interest here are defects, i.e., areas in which the atomic arrangement on the surface is not quite perfect. For example, individual oxygen atoms can very easily be missing. These defects are easily visible in the scanning tunnelling microscope, and chemical reactions of individual molecules can be followed directly.

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Abb. 3. Ein wenige Nanometer großer Bereich wurde mit hoher Spannung mit dem Rastertunnelmikroskop gerastert. Die dadurch aus dem Festkörper herausgezogenen Fehlstellen sind im zweiten Bild als einzelne helle Flecken gut sichtbar. Figure 3: An area only a few nanometres wide was scanned with high voltage using the scanning tunnelling microscope. The imperfections thereby drawn out of the solid are easily visible in the second image as individual bright spots.

Kleiner, besser, billiger Eine ganz zentrale Anwendung von oberflächenphysikalischen Untersuchungen ist auch die heterogene Katalyse. Wenn ein Molekül auf einer Oberfläche haftet, dann werden oft Bindungen innerhalb dieses Moleküls geschwächt und damit wird seine Reaktivität erhöht. Auf diesem Phänomen basiert ein Gutteil der heute in der chemischen Industrie großtechnisch eingesetzten Verfahren. Bei katalytisch aktiven Oberflächen handelt es sich oft um Edelmetalle. Die Eigenschaften dieser Metalle können sich massiv verändern wenn sie als kleinste Cluster vorhanden sind. Ein Paradebeispiel dafür ist Gold. Dieses edle, d.h. im allgemeinen als nichtreaktiv eingestufte Metall wird katalytisch ausgesprochen aktiv, sobald es in Form von Clustern mit Abmessungen im Nanometerbereich vorhanden ist. Derzeit wird unter Wissenschaftlern eine hitzige Debatte darüber geführt, ob die allerkleinsten Goldcluster – sprich, einzelne Goldatome – auch noch katalytisch aktiv sein können. Dies zu beweisen wäre nicht nur wissenschaftlich hochinteressant, sondern wirtschaftlich gesehen beträchtlich. Gold ist teuer. Wenn man es in Form eines allerfeinsten Staubes auf einen geeigneten Träger aufbringen könn-

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The tip of a scanning tunnelling microscope can, however, also be used to perform targeted movements of individual atoms or molecules. An example of this is shown below in Fig. 3. Here, an area only a few nanometres wide is scanned with the tip. Due to the unusually high tunnelling voltage selected in this case, defects in the interior of the solid body were drawn to the surface. This current- and voltage-induced movement of defects is the functional principle behind innovative electronic components, so-called memristors. Smaller, Better, Cheaper Another central application of surface physics studies is heterogeneous catalysis. If a molecule adheres to a surface, bonds within this molecule are often weakened and its reactivity thereby increased. A large portion of processes used commercially by the chemical industry are based on this phenomenon. With catalytically active surfaces, the materials in question are often precious metals. The properties of these metals can change greatly when present as extremely small clusters. A prime example of this is gold. This precious metal, i.e., one that is generally classified as non-reactive, becomes catalytically very active as soon as it is present in the form of clusters measuring in the nanometre range. There is currently a lively debate among scientists as to whether the smallest clusters of gold – i.e., individual gold atoms – can still be catalytically active. Proving this would not only be scientifically interesting, but, from an economic standpoint, also of great importance. Gold is, after all, rare and therefore expensive. If one could place it on a suitable carrier in the form of the finest dust, and if it did not clump together under reaction conditions, it would be possible to greatly reduce the required quantity and thus the price of the catalyst. In the model catalyst recently developed by the Surface Physics Group (Fig. 4), extremely finely dispersed precious metal atoms remain stable even at high temperatures. This system can be used to study the reactivity of single-atom catalysts. Furthermore, tests are also being performed to determine

te, und wenn es unter Reaktionsbedingungen nicht zusammenklumpen würde, könnte man die benötigte Menge und damit auch den Preis des Katalysators stark reduzieren. In dem von der AG Oberflächenphysik kürzlich entwickelten Modellkatalysator (Abb. 4), bleiben feinst dispergierte Edelmetallatome bis zu hohen Temperaturen stabil. An diesem System kann die Reaktivität von Einzelatomkatalysatoren untersucht werden. Weiters wird auch getestet, ob verschiedene Gasatmosphären ein Zusammensintern zu größeren Teilchen verursachen. Auch in Brennstoffzellen laufen die für das Funktionieren wesentlichen Reaktionen auf oxidischen Oberflächen ab. Im Rahmen eines vom FWF geförderten Sonderforschungsbereichs (Functional Oxide Surfaces and Interfaces) werden in diesem Zusammenhang oxidische Elektrolyte sowie Perowskitoberflächen untersucht. Diese Materialien gelten als besonders komplex. Durch die Kombination von epitaktischem Schichtwachstum und Rastertunnelmikroskopie werden geeignete Modellsysteme untersucht, welche wiederum grundlegende Einsichten in das Funktionieren von Brennstoffzellen auf atomaren Maßstab zulassen. In die Zukunft schauen Zuletzt sollen auch noch erst kürzlich in Angriff genommene Entwicklungen in der Oberflächenphysik erwähnt werden. Ein derzeit an der TU Wien im Aufbau befindliches UHV-Rasterkraftmikroskop verspricht Bilder mit noch höherer Auflösung zu liefern. Zum Beispiel kann man in solchen Bildern zwischen Einfach- und Mehrfachbindungen innerhalb eines organischen Moleküls unterscheiden. Weiters wird daran gearbeitet, hochaufgelöste Rastertunnelmikroskopiebilder zu erreichen, wenn sich die Probe in einer Flüssigkeit befindet. Solche Experimente sind für die Entwicklung erneuerbarer Energieträger besonders attraktiv. Diese Neuentwicklungen werden durch den an. Ulrike Diebold im Jahr 2013 verliehenen Wittgensteinpreis ermöglicht.

Abb.4. Ein an der TU Wien untersuchter Modellkatalysator. Einzelne Goldatome haften auf dieser Oberfläche besonders stark und bewegen sich selbst dann nicht, wenn die Probe auf eine höhere Reaktionstemperatur gebracht wird. Figure 4: A model catalyst studied at the TU Wien. Single gold atoms adhere very strongly to this surface, not moving even when the sample is heated to a higher reaction temperature.

whether various gas atmospheres cause sintering into larger particles. In fuel cells as well, the reactions essential to proper functioning take place on oxidic surfaces. Within the framework of the FWF-funded Special Research Programme (Functional Oxide Surfaces and Interfaces), oxidic electrolytes and perovskite surfaces are being studied in this context. The materials are regarded as particularly complex. Through the combination of epitaxial layer growth and scanning tunnelling microscopy, suitable model systems are being studied which, in turn, enable fundamental insights into the function of fuel cells on an atomic level. A Look into the Future Finally, it is also important to mention recent developments in surface physics. A UHV atomic force microscope currently under construction at the TU Wien promises to deliver images with an even higher resolution. In such images, it is possible, for example, to distinguish between single and multiple bonds within an organic molecule. Work is also being performed on capturing high-resolution scanning tunnelling microscopy imag-

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es of samples located in a liquid. Such experiments are particularly interesting for the development of renewable energy sources. These new developments are made possible by the Wittgenstein Prize, which was awarded to Ulrike Diebold in 2013.

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Joachim Burgdörfer, Stefan Rotter

PHYSIK DER LICHT-MATERIE WECHSELWIRKUNG THE PHYSICS OF LIGHT-MATTER INTERACTION Das Licht und seine Wechselwirkung mit Materie gilt als eines der gegenwärtig wichtigsten Forschungsgebiete der Physik. Seine Bedeutung und Anwendungen reicht von den Grundlagen der Quantenphysik und Quanteninformation bis zu technologischen Anwendungen der Photonik, die auf Grund ihres hohen Innovationspotenzials weltweit als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts gilt. Die TU Wien nimmt dabei eine wichtige Rolle ein, gilt sie doch als die Geburtsstätte von Attosekundenpulsen und damit eines ganz neuen Gebiets der Forschung und Entwicklung, der Attosekundenphysik. Der Gruppe um Ferenc Krausz (jetzt Direktor am Max-Planck Institut für Quantenoptik in Garching) gelang es 2001 erstmals, ultrakurze Laserpulse, die kürzer als eine Femtosekunde dauerten, zu erzeugen. Dieser technologische Fortschritt eröffnete neue Perspektiven der Forschung an den Schnittstellen zwischen Elektrotechnik und Physik, die auch an der Fakultät für Physik prominent vertreten ist. Mehrere Arbeitsgruppen der Fakultät sind wesentlich an zwei vom FWF geförderten Spezialforschungsbereichen (SFBs), dem SFB „Nextlite – Next Generation Light Synthesis and Interaction“ und dem SFB „IR-ON – Infrared Optical Nanostructures“ beteiligt. Fragestellungen aktueller Forschung reichen von der Erzeugung ultrakurzer Lichtpulse mit besonders hoher Intensität oder kurzer Wellenlänge bis zu neuartigen optischen Resonatoren, die das kontrollierte Erzeugen, Speichern und Verstärken ermöglichen sollen. Fundamentale Fragestellungen, die die Physikerinnen und Physiker am Institut für Theoretische Physik der Fakultät

The interaction of light with matter is currently considered to be one of the most important research areas in physics. Its significance and applications extend from the foundations of quantum physics and quantum information to the technological applications of photonics, which is seen as one of the key technologies of the 21st century due to its high innovative potential. The TU Wien is considered the birthplace of attosecond pulses, and thus, of a completely new area of research and development, attophysics. TU Wien continues to play an important role in this field. In 2001, a group led by Ferenc Krausz (now a director of the Max Planck Institute for Quantum Optics in Garching) successfully generated ultrashort laser pulses shorter than one femtosecond for the first time. This technological progress opened new research perspectives at the intersection of electrical engineering and physics, which is also an area of prominent interest of the Faculty of Physics. Several faculty research groups are deeply involved in two of the Special Research Programs (SFBs) sponsored by the FWF, the SFB “Nextlite – Next Generation Light Synthesis and Interaction” and the SFB “IR-ON – Infrared Optical Nanostructures”. Topics of current research range from the generation of ultrashort light pulses of particularly high intensity or short wavelength to novel optical resonators, with the aim of facilitating controlled generation, storage, and amplification. One of the fundamental questions focussed on by the physicists at the Faculty of Physics’ Institute of Theoretical Physics is: How does light interact with matter under such extreme conditions?

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beschäftigen, sind u.a.: Wie wechselwirkt Licht mit Materie unter solchen extremen Bedingungen? Zahlreiche neue, nicht-lineare Phänomene treten auf, deren quantitative Beschreibung den Einsatz hocheffizienter Algorithmen und der weltweit schnellsten Computer, u.a. des „Vienna Scientific Cluster (VSC)“ mit vielen tausend Prozessoren benötigt. Durch internationale Vernetzung hat das Forschungsteam auch Zugang zum K-Computer in Japan und zu amerikanischen Hochleistungsrechnern, die von der National Science Foundation (NSF) unterstützt werden. Ein vertieftes Verständnis der hochgradig nicht-linearen und ultraschnellen Prozesse ist Schlüssel zur Entwicklung einer nächsten Generation von photonischen Bauelementen und Systemen. Highlight 1 Metalle und Isolatoren sind Materialien mit grundlegend verschiedenen Eigenschaften. Ihre elektrische Leitfähigkeit unterscheidet sich um viele Größenordnungen. Die Phasenumwandlung von dem einen zum anderen Zustand der Materie durch Änderung von Temperatur, Druck oder Dotierung war seit Langem bekannt. Dass es aber auch möglich ist, auf ultrakurzen Zeitskalen von Femtosekunden Quarzglas, einen Isolator, kurzfristig und reversibel metallisch zu machen, ist eine konzeptuell neue Entdeckung. Wie dieser Effekt genau abläuft, konnte ein Forschungsteam des Instituts für Theoretische Physik in Zusammenarbeit mit der Tsukuba Universität in Japan erstmals berechnen und erklären. Die Feldamplitude des Laserfeldes verbiegt die elektronische Struktur in Bruchteilen einer Femtosekunde. Dadurch ist es möglich, dass ein Elektron, das sonst fest an ein Sauerstoff-Atom im Quarzglas gebunden ist (Abb. 1), plötzlich zu einem anderen Atom überwechselt und sich ähnlich benimmt wie ein frei bewegliches Elektron in einem Metall. So kann das elektrische Feld des Pulses die Elektronen gezielt in eine bestimmte Richtung treiben, und Strom beginnt zu fließen. Mit dem Ende des Laserpulses kehrt das metallische Quarzglas ebenso schnell in seinem Isolator-Zu-

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This interaction gives rise to numerous new and non-linear phenomena, whose quantitative description requires the use of highly efficient algorithms and the world’s fastest computers, including the Vienna Scientific Cluster (VSC) with thousands of processors. Internationally networked, the research team also has access to the K-Computer in Japan and to American high-performance computers supported by the National Science Foundation (NSF). An enhanced understanding of the highly non-linear and ultrafast processes is key to the development of the next generation of photonic elements and systems. Highlight 1 Metals and insulators are materials with fundamentally different properties whose electrical conductivity is different by orders of magnitude. The phase transition from one to the other state of matter through a change in temperature, pressure, or doping has long been known. A conceptually new discovery, however, is the possibility of making fused silica, an insulator, briefly and reversibly metallic on ultrashort time scales of femtoseconds. A research team from the Institute of Theoretical Physics, in collaboration with the Tsukuba University in Japan, was able, for the first time, to calculate and explain the exact sequence of events leading to this effect. The field amplitude of the laser field distorts the electronic structure for fractions of a femtosecond. This makes it possible for an electron, which is usually firmly bound to an oxygen atom in the fused silica (Fig. 1), to suddenly transition to another atom, behaving similarly to a freely moving electron in a metal. As a result, the electrical field of the pulse can push the electrons in a specific direction, and current begins to flow. At the end of the laser pulse, the metallic-fused silica transitions just as quickly back to its insulating state. Such quick transitions hold the promise of a future implementation of an ultra-fast switching of currents in light-based electronics, magnitudes faster than current conventional transistor-based electronics.

stand zurück. Solch schnelle Übergänge versprechen für die Zukunft die Realisierung von ultraschnellem Schalten von Strömen einer lichtbasierten Elektronik, die um Größenordnungen schneller ist als die gegenwärtige konventionelle transistorbasierte Elektronik. Highlight 2 Sicherlich die erfolgreichste Anwendung, die bisher aus dem Gebiet der Licht-Materie-Wechselwirkung hervorging, ist der Laser. Nach mittlerweile mehr als 50 Jahren seit seiner Erfindung ist der Laser aus der optischen Technologie nicht mehr wegzudenken. Gleichzeitig führt der Versuch, Laser immer kleiner, schneller und effizienter zu machen, zu neuen Herausforderungen, insbesondere auch für die theoretische Beschreibung von neuartigen Lasern, für die konventionelle Ansätze zu kurz greifen. Am Institut für Theoretische Physik werden dementsprechend neue Modelle entwickelt, die auch für eine neue Generation von sehr kleinen, sogenannten Mikro-Lasern anwendbar sind und deren Verhalten korrekt beschreiben. Auf mathematischer Ebene führen diese Laser-Modelle zu nicht-linearen Gleichungen, deren Lösung meist nur mit Computer-basierten Rechenmethoden möglich ist. Aus diesen Lösungen lassen sich interessante Vorhersagen für Experimente ableiten, wie sie z.B. am Institut für Photonik der TU Wien durchgeführt werden. Im Rahmen einer Theorie-Experiment-Zusammenarbeit konnten hier u.a. gekoppelte Mikro-Laser untersucht werden, welche in der Nähe von sogenannten Entartungspunkten verblüffendes Verhalten aufweisen (Abb. 2): So können sich diese gekoppelten Laser einschalten, indem man ihnen nicht mehr Energie zuführt, sondern ihnen stattdessen Energie entnimmt. Umgekehrt schalten sich die Laser aus, wenn man die Energiezufuhr von außen erhöht. Dieser paradoxe Effekt wurde mittlerweile in mehreren Experimenten bestätigt und lässt auf ganz unterschiedliche technologische Anwendungen hoffen.

Abb. 1: Die Computersimulationen zeigen den lichtpuls-induzierten Elektronenfluss vom Sauerstoff zum benachbarten Siliziumatom in Quarzglas (SiO2) unter Einfluss eines ultrakurzen Laserpulses von 12 Femtosekunden Dauer. Figure 1: Computer simulations show the light pulse-induced electron flow from the oxygen atom to the neighbouring silicon atom in fused silica (SiO2) subject to an ultra-short laser pulse of 12 femtoseconds.

Highlight 2 The laser is surely the most successful application that has emerged from the research of light-matter interaction. Now more than 50 years since its invention, it is not possible to imagine optical technology without lasers. At the same time, attempts to make lasers smaller, faster, and more efficient present new challenges, in particular in the theoretical description of innovative lasers, where conventional approaches fall short. In response, the Institute of Theoretical Physics is developing new models that are also applicable to a new generation of very small so-called “micro-lasers”, and can describe their response correctly. Mathematically, these laser models lead to non-linear equations that can often only be solved using computer-based numerical methods. These solutions make it possible to derive interesting predictions for experiments, such as those being conducted, for example, at the Photonics Institute of the TU Wien. In the framework of a theoretical-experimental collaboration, it was

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possible to investigate, among other topics, coupled micro-lasers that exhibit an intriguing response (Fig. 2): in the vicinity of so-called “exceptional points” the coupled lasers will turn on when their energy supply is decreased and they will turn off if the external energy supply is increased. This paradoxical effect has already been confirmed in several experiments and harbours the promise of various technological applications.

Abb. 2: Elektrisches Feld einer Laser-Mode in zwei gekoppelten Mikrolasern. Die beiden zylindrischen Strukturen können das Licht besonders lange speichern und durch optisches Pumpen bis über jenen Schwellenwert verstärken, an dem der Laser zu leuchten beginnt. Die Kopplung zwischen den beiden Strukturen führt in der Nähe von sogenannten Entartungspunkten zu überraschenden Effekten, die mittlerweile auch im Experiment beobachtet wurden. Figure 2: The electrical field of a laser mode in two coupled micro-lasers. The two cylindrical structures can store light for a particularly long time and amplify it through optical pumping past the threshold at which the laser starts to shine. In the vicinity of exceptional points, the coupling between the two structures leads to unanticipated effects that have now also been observed in experiments.

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Gerhard J. Schütz, Mario Brameshuber

HOCHAUFGELÖSTE MIKROSKOPIE DER ZELLULÄREN PLASMAMEMBRAN SUPER-RESOLUTION MICROSCOPY OF THE CELLULAR PLASMA MEMBRANE Die am Institut für Angewandte Physik untergebrachte Arbeitsgruppe für Biophysik beschäftigt sich unter anderem damit, wie die Plasmamembran biologischer Zellen aufgebaut ist. Die grundlegenden Werkzeuge, mit denen hier Prozesse und Strukturen in solchen Membranen untersucht werden, sind optische Mikroskope, die zu ausgeklügelten hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopen erweitert wurden. Folgender Artikel soll einen Einblick geben, wie mit Hilfe optischer Tricks das Auflösungslimit eines klassischen Mikroskops umgangen werden kann, um Prozesse und Strukturen auf wesentlich kleineren Längenskalen studieren zu können, als sie mit herkömmlichen optischen Mikroskopen beobachtbar sind.

The Biophysics Group at the Institute of Applied Physics works on, among other things, understanding how the plasma membrane of biological cells is structured. The basic tools used here to examine the processes and structures in such membranes are optical microscopes, enhanced to function as sophisticated, super-resolution fluorescence microscopes. The following article provides insight into how optical tricks are used to help circumvent the resolution limit of a classical light microscope in order to study processes and structures that are considerably smaller than can be observed with standard optical microscopes.

Die Plasma-Membran ist mehr als nur eine Hülle

It is fascinating how the interplay of invisibly small structures results in what we perceive as life: molecules move, collide with one another, change their shape, are loaded with and transport other molecules, assemble themselves in complex ways into biological cells, and these, in turn, become complete organisms. Numerous international groups of researchers have been working for years to understand these social interactions and the roles of the individual actors. In our work group, we study the cellular plasma membrane, i.e., the barrier that separates the inside of a cell from its outside. It may be helpful to illustrate the situation of a molecule in the cell membrane with an analogy. Imagine a medieval city that is surrounded by a city wall: the city represents our cell; the city wall is the cell membrane. In this example, we can think of

Es ist schon faszinierend, wie das Wechselspiel aus unsichtbar Kleinem zu dem führt, was wir als Leben wahrnehmen: Moleküle bewegen sich, kollidieren miteinander, verändern ihre Form, werden mit anderen Molekülen beladen und transportieren sie, assemblieren sich in komplexer Weise zu biologischen Zellen und diese wiederum zu vollständigen Organismen. Diese sozialen Wechselspiele und die Rollen der einzelnen Akteure zu verstehen, beschäftigt seit Jahren zahlreiche internationale Forschergruppen. In unserer Arbeitsgruppe studieren wir die zelluläre Plasma-Membran, also jene Hülle, welche das Innere einer Zelle vom Äußeren trennt. Ein Vergleich mag helfen, sich in die Situation eines Moleküls in der Zellmembran

The Plasma Membrane Is More than Just a Barrier

Hochaufgelöste Mikroskopie der zellulären Plasmamembran  | 53

zu versetzen. Stellen Sie sich eine mittelalterliche Stadt vor, die von einer Stadtmauer umgeben ist: die Stadt soll für unsere Zelle stehen, die Stadtmauer stellt die Zellmembran dar. Als Beispiel können wir an den ersten Bezirk Wiens denken, welchen wir mit einem Lymphozyten – also einer Zelle unseres Immunsystems – vergleichen wollen. Der erste Bezirk hat eine Ausdehnung von etwa 1 km, das ist ca. 100 Millionen-mal größer als der Lymphozyt. In unserem Bild wäre dann die Stadtmauer ca. einen halben Meter dick. In der Zellmembran halten sich zwei Arten von Molekülen auf: Lipide, also fettähnliche Substanzen, sowie Proteine, also Eiweißstoffe. Vereinfacht können wir sagen: Lipide sind für die Struktur der Membran verantwortlich, Proteine für die Funktion. In unserem Bild wären die Lipide das undurchdringliche Mauerwerk, Proteine hingegen jene Personen, die sich dort aufhalten: das können Wachen oder Späher sein (Rezeptoren), Boten (z.B. G-Proteine), Rauswerfer (Membran-Transporter), Bauarbeiter (Enzyme), selektive Stadttore (Ionen-Kanäle) und vieles mehr. Wir gehen davon aus, dass sich ca. 1,000-10,000 verschiedene Arten von Lipiden und ca. 10,000 verschiedene Arten von Proteinen in der Membran aufhalten. Dabei kann die Anzahl von Molekülen eines bestimmten Typs stark variieren: manche Proteine kommen sehr häufig vor (bis zu 100,000 Moleküle pro Zelle), andere sind sehr selten (ca. 10 Moleküle bei manchen Kanalproteinen). Wie groß sind nun die Zellbestandteile? Bei Lipiden ist die Frage leichter zu beantworten. Sie sind einander sehr ähnlich, und nehmen im Mittel in unserem Bild der Stadtmauer eine Fläche von ca. 10 x 10 cm pro Molekül in Anspruch – also kleineren Steinen entsprechend. Zwei solcher Moleküle hintereinander gereiht ergibt die Dicke der Mauer – die Plasma-Membran besteht nämlich aus einer doppelten Lipidschicht, dem sogenannten Lipid-Bilayer. Proteine hingegen können in ihrer Größe stark variieren, und vor allem: sie können sehr weit aus der Membran herausragen: extrazelluläre Domänen, welche der zehnfachen Membrandicke entsprechen, sind keine Seltenheit. In unserem Bild würden also manche Proteine um ca. 5  m nach außen stehen. Dabei ist der nach

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the first district of Vienna, which we will compare with a lymphocyte – a cell of our immune system. The first district spans a distance of about 1  km, approximately 100 million times larger than the lymphocyte. In this scenario, the city wall would be approximately half a metre thick. Two types of molecules are present in the cell membrane: lipids, which are fat-like substances, and proteins. In simplified terms, we can say that lipids are responsible for the structure of the membrane, proteins for the function. In our scenario, the lipids would be the impenetrable wall, proteins, on the other hand, the people who are present there: they may be guards or scouts (receptors), messengers (e.g. G-proteins), bouncers (membrane transporters), construction workers (enzymes), selective city gates (ion channels), and many others. We believe that there are approximately 1,000 – 10,000 different types of lipids and approximately 10,000 different types of proteins present in the membrane. The number of molecules of a given type can vary widely: some proteins are very common (up to 100,000 molecules per cell), and others are very rare (approximately 10 molecules for some channel proteins). How large are these cellular components? For lipids, the question is more easily answered. They are very similar to one another. In our city wall scenario, they occupy on average approximately 10 x 10 cm of area per molecule – about the size of a small stone. Two such molecules arranged next to one another yield the thickness of the wall – the plasma membrane consists namely of a double lipid layer, the so-called lipid bilayer. Proteins, on the other hand, can vary widely in size and, in particular, can protrude very far outside of the membrane: extracellular domains that are up to ten times as thick as the membrane are not uncommon. In our scenario, many proteins would protrude approximately 5  metres to the outside. The protein part that extends to the outside is by far the larger component. In the membrane itself, the protein diameter corresponds approximately to the membrane thickness, or about 50  centimetres in our scenario. On the inside, the organisation is even

außen stehende Bereich bei weitem der größere Anteil: in der Membran selbst entspricht der Proteindurchmesser in etwa der Membrandicke, also ca. 50 cm in unserem Bild. Auf der Innenseite ist die Organisation noch komplizierter: Manche Proteine binden an zytosolische Strukturen, also Membran- oder Proteinkomplexe des Zellinneren. Genaugenommen ist unsere Stadtmauer also nicht klar getrennt vom Inneren der Stadt und bildet stellenweise die Rückwand mancher Bürgerhäuser. Zusammengefasst herrscht ein großes Gedränge auf unserer Stadtmauer, und es gibt kaum eine Person, die sich ungehindert bewegen könnte. Wenn wir die Dynamik des Systems betrachten, hinkt unser Vergleich ein bisschen: während die Zellmembran hochfluide ist – also sowohl Proteine als auch Lipide lateral beweglich sind – können wir das von einer Stadtmauer nicht behaupten. Da wir uns im Folgenden aber nicht für Lipide interessieren, soll uns diese Ungenauigkeit hier nicht weiter stören: wichtig ist, dass sich Proteine entlang der Mauer bewegen können. Und das sogar recht rasch: es dauert etwa eine Minute, um von einer Seite der Zelle – z.B. vom Schottentor – zur anderen Seite – also zum Karlsplatz – zu gelangen. Dabei wissen unsere Membran-Proteine a priori nicht, wo sie hinwollen. Sie bewegen sich zufällig, mal einen Schritt in die eine Richtung, dann zwei in die andere. Manche Proteine sind alleine unterwegs, manche treffen sich kurz mit anderen, und manche wiederum kommen nur in Verbindung mit anderen Proteinen vor. Es kommt auch vor, dass Proteine für mehr oder weniger lange Zeiten anhalten: ca. 20% – 50% der Membran-Proteine sind im Mittel immobil. Einzelne Moleküle eröffnen strukturelle Einblicke Während wir im Groben recht gut über die Struktur der Zellmembran und die Funktion der Proteine Bescheid wissen, gibt es im Detailwissen doch zahlreiche Lücken. Eine Vielzahl von experimentellen Hürden erschwert die genaue Untersuchung: •• Proteine und Lipide sind viel zu klein, um sie direkt mit mikroskopischen Methoden abzubilden. Die Situation ist

more complicated: some proteins bind to cytosolic structures, i.e., inner membranes or protein complexes of the cell interior. Strictly speaking, our city wall is not clearly separated from the inside of the city, with the wall rear making up the back wall of some of the town houses here and there. To summarise, there is a great deal of activity on our city wall and only a very few people who can move unimpeded. Our comparison crumbles somewhat if we consider the dynamics of the system: while the cell membrane is highly fluid – i.e., both proteins and lipids can move laterally – the same cannot be said of a city wall. Because we are not interested in lipids in the following, however, we will not let this inaccuracy interfere here: what is important is that proteins can move along the wall. And they can do so very quickly: it takes about one minute to move from one side of the cell – e.g., from Vienna’s Schottentor – to the other side – to Karlsplatz. Our membrane proteins do not know a priori where they want to go. They move randomly, one step in this direction, then two in the other. Some proteins travel alone, some briefly meet with others, and some only occur in combination with other proteins. There are also some proteins that are at rest for more or less extended periods of time: on average, about 20% – 50% of the membrane proteins are stationary. Individual Molecules Provide Detailed Structural Insights While we have a very good general understanding of the structure of the cell membrane and the function of the proteins, gaps remain in our detailed knowledge. A number of experimental hurdles complicate thorough research: •• Proteins and lipids are much too small to be directly imaged using optical microscopic methods. The situation is similar to if we were to try to observe our city from space with a telescope. We would probably be able to recognise the shape of the city, but details would be difficult to discern. In other words, the resolution of the

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ähnlich, wenn wir unsere Stadt vom Weltall aus mit einem Fernrohr beobachten würden: wir würden die Form der Stadt vermutlich erkennen, aber genaueres wäre kaum auszumachen. Anders gesagt: die Auflösung der Messgeräte würde es verhindern, Strukturen abzubilden, die kleiner sind als – in unserem Maßstab – die Auflösungsgrenze von ca. 20m. Im Weltall könnte ein besseres Teleskop vielleicht Abhilfe bieten, in der Mikroskopie hingehen stellt die optische Beugung ein prinzipielles Limit dar, welches nicht unterschritten werden kann. •• Proteine sind verschieden. Selbst wenn wir an sich idente Moleküle betrachten, haben Proteine aufgrund verschiedener Umgebungsbedingungen, Modifizierungen oder Bindungen unterschiedliche Eigenschaften. In klassischen experimentellen Zugängen können nur die Mittelwerte der Messparameter bestimmt werden, nicht jedoch die statistische Verteilung selbst. Wenn also in unserer Stadtmauer 50% der Wachen erkrankt und damit arbeitsunfähig wären, die anderen 50% hingegen gesund wären und normal weiterarbeiteten, würde der Mittelwert fälschlicherweise eine Reduktion der Aktivität aller Wachposten um 50% andeuten – kein einziger Wachposten wäre mehr voll einsatzfähig. •• Proteine arbeiten in der Regel unkorreliert. Es ist somit schwierig, dynamische Prozesse zu in ihrem Zeitverlauf studieren. In unserer Arbeitsgruppe haben wir aus diesen Gründen einen experimentellen Zugang gewählt, der auf der Untersuchung einzelner Moleküle beruht. Dabei machen wir uns zu Nutze, dass Proteine (oder auch Lipide) sehr selektiv mit Farbstoffen markiert werden können. Beleuchtet man solche Farbstoffe mit einem Laser, so senden sie rotverschobenes Licht aus, welches mit einer empfindlichen CCD-Kamera detektiert werden kann (Abb. 1a). Ein einzelnes Farbstoffmolekül ist dabei gar keine so schwache Lichtquelle: man kann durchaus mit einigen Zehntausend Photonen (also Lichtteilchen) rechnen, die pro Sekunde auf der Kamera auftreffen. Zum Vergleich: unserem Auge reichen ca. 1.000 Photonen pro Sekunde, um am Nachthimmel lichtschwache Sterne

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measurement instruments would prevent the imaging of structures that are smaller than – on our scale – the resolution limit of approximately 20 metres. In space, a better telescope might be of some help, but in microscopy, optical diffraction poses a principle limit that cannot be surpassed. •• Proteins are very different. Even if we consider identical molecules, proteins have different characteristics due to varying environmental conditions, modifications, and chemical bonds. In classical experimental approaches, only the mean values of the measurement parameters can be determined, not, however, the statistical distribution itself. Thus, if 50% of the guards on our city wall were ill and unable to work and the other 50% were healthy and able to work, the mean value would incorrectly suggest a 50% reduction in the activity of all guards – not a single one of them would be fit for service. •• Proteins generally interact with one another in an uncorrelated manner. As a result, it is difficult to study dynamic processes over time. For these reasons, our work group has taken an experimental approach that is based on the research of individual molecules. In doing so, we make use of the fact that proteins and lipids can be very selectively marked with dyes. If such dyes are illuminated with a laser, they emit red-shifted light that can be detected with a sensitive CCD camera (Fig. 1a). An individual dye molecule is actually quite an effective light source: one can expect tens of thousands of photons (or light particles) to impinge on the camera every second. For comparison: our eyes require approximately 1,000 photons per second to make out faint stars in the night sky. As early as the 1990s, we – together with other work groups – showed that the signals from individual dyes are sufficient to observe the movement of individual biomolecules over longer periods of time; time resolutions in the range of thousandths of a second are no problem. As a result, nothing more is stopping us in directly viewing membrane proteins and lipids at work to better understand their functions.

Abb. 1: Einzelmolekül-Fluoreszenz Mikroskopie im Labor der Biophysik. Um einzelne Moleküle in der Zellmembran sichtbar zu machen, werden Fluoreszenzfarbstoffe selektiv an interessante Moleküle gekoppelt, mit Laserlicht angeregt und mit Hilfe hoch-empfindlicher Kamerasysteme detektiert (a). Das Signal eines solchen Fluoreszenzmarkers ist in (b) zu sehen. Während das Fluoreszenzmolekül lediglich einige Nanometer groß ist, erzeugt es auf der Kamera ein Signal mit einem hundertfach größeren Durchmesser. Das Zentrum des Signals – also die genaue Position des Moleküls – kann mathematisch sehr exakt berechnet werden. Häufig entspricht die Positionsgenauigkeit (PA) weniger als ein Zehntel des Durchmessers der Punkt-Bild-Funktion. In unserem Beispiel bedeutet dies, dass bei einem typischen Durchmesser des Signals von 250nm die Position des Moleküls genauer als 25nm bestimmt werden kann.

Figure 1: Single-molecule fluorescence microscopy in the Biophysics Laboratory. To render individual molecules in the cell membrane visible, fluorescent dyes are selectively coupled to the molecules of interest, activated with laser light, and then detected with the aid of highly sensitive camera systems (a). The signal from such a fluorescent marker can be seen in (b). Even though the fluorescent molecule is just a few nanometres in size, it generates a signal on the camera with a diameter a hundred times larger. We now take advantage of the fact that the centre of the signal – i.e., the precise position of the molecule – can be very exactly calculated mathematically. Often, the positional accuracy (PA) corresponds to less than one-tenth of the diameter of the point-spread function. In our example, this means that with a typical signal diameter of 250 nm, the position of the molecule can be determined with an accuracy of greater than 25 nm.

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gerade noch zu erkennen. Bereits in den Neunzigerjahren des letzten Jahrhunderts haben wir – gemeinsam mit anderen Arbeitsgruppen – gezeigt, dass die Signale einzelner Farbstoffe sogar ausreichen, um einzelne Biomoleküle über längere Zeit in ihrer Bewegung zu beobachten; Zeitauflösungen im Bereich von tausendstel Sekunden sind keine Schwierigkeit. Damit steht eigentlich nichts mehr im Wege, wenn wir den Membran-Proteinen und -Lipiden bei der Arbeit zusehen wollen, um auf diese Art mehr über ihre Funktionen verstehen zu können. Aber es geht noch besser: das einzelmolekulare Experiment hilft uns auch, die räumliche Auflösung der mikroskopischen Abbildung deutlich zu erhöhen. Dazu wollen wir nochmals den Vergleich mit der Stadtmauer bemühen. Wie gesagt, können wir gerade einmal Strukturen erkennen, die größer als 20 m sind. Selbst größere Häuser würden somit nur als Punkte erscheinen. Wenn wir genauer schauen, stellen wir aber fest, dass diese Punkte alle ähnlich aussehen – egal ob Haus oder Wachposten. Wir sprechen dabei von der Punkt-Bild-Funktion (engl. point spread function), einer radialsymmetrischen Funktion, die im Wesentlichen vom Mikroskop festgelegt ist: vereinfacht gesagt, wird diese Funktion bei Verwendung hochwertiger Objektive sehr scharf, wohingegen minderwertige Objektive eine sehr breite Punkt-Bild-Funktion bewirken. Auch ein Farbstoffmolekül wird nach der Punkt-Bild-Funktion abgebildet (Abb. 1b). Entscheidend ist nun, dass auch bei einer beliebig ausgedehnten Punkt-Bild-Funktion deren Lage sehr genau bestimmt werden kann: man sucht im Wesentlichen den Schwerpunkt der Funktion. Dazu gibt es sehr leitungsstarke mathematische Algorithmen, die – je nach Signalstärke – die Position bis auf ein Hundertstel des Durchmessers der Punkt-Bild-Funktion bestimmen können (Abb. 1b). Wir können also die Lage des Wachpostens auf der Stadtmauer mit einer Positionsgenauigkeit (engl. PA – positional accuracy) von 20  cm bestimmen, auch wenn er nur als kreisförmiger Fleck mit einem Durchmesser von 20 m abgebildet wird! Dazu sind 2 Bedingungen notwendig: wir müssen sicherstellen, dass i) wirklich nur ein Molekül für den be-

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But it gets better: the single-molecule experiment also helps us to considerably increase the spatial resolution of the microscopic image. For this purpose, let us again consider the comparison with the city wall. As mentioned, we can only recognise structures that are larger than 20 metres. Thus, even relatively large houses would appear only as dots. If we look more closely, however, we notice that all of these dots look very similar, regardless of whether they are a house or a guard. We speak here of the point spread function, a radial-symmetrical function that is essentially defined by the microscope. Simply put, this function is very accurate when high-quality lenses are used, while lower-quality lenses result in a very wide point spread function. Dye molecules are also imaged according to the point spread function (Fig. 1b). It is now decisive that, even with an arbitrarily expanded point spread function, positions can be very accurately determined, basically by searching for the centre of the function. Very powerful mathematical algorithms are available for this purpose which, depending on signal strength, can determine the position to within a hundredth of the diameter of the point spread function (Fig. 1b). Thus, we can determine the location of a guard on the city wall with a positional accuracy (PA) of 20 centimetres even if it is depicted only as a circular spot with a diameter of 20 metres! To achieve this, two prerequisites need to be fulfilled: we need to ascertain that i) one signal corresponds to only one molecule, and ii) that the signals are far enough apart from each other – more than 20 metres in our city wall picture. At first glance, this seems hard to achieve: we know that the protein density is very high in the plasma membrane. Therefore we use a trick: we only make a certain, very small amount of proteins visible – all the other proteins remain dark in our microscopic image. There, we make use of the fact that dye molecules can be switched between dark and bright states. That way it is possible to first switch off the overwhelming majority of dye molecules, and then, step by step, switch on a few molecules to determine their positions. It takes tens of thousands of images to observe every molecule at

obachteten Punkt verantwortlich ist, und ii) das nächste benachbarte Signal weit genug entfernt – also außerhalb des 20 m-Bereichs – ist. Das erscheint zunächst schwierig, wissen wir doch, dass die meisten Proteine in sehr hoher Dichte auftreten. Oder um in unserem Bild zu bleiben, werden sich vermutlich hunderte Personen in jedem beliebigen 20 m-Kreis aufhalten. Der Trick besteht nun darin, nur einen geringen Bruchteil aller Proteine einer bestimmten Sorte – sagen wir, jedes Tausendste – sichtbar zu machen; alle anderen bleiben in der mikroskopischen Abbildung dunkel. Dabei machen wir uns zunutze, dass Farbstoffmoleküle stochastisch zwischen dunklen und hellen Zuständen geschaltet werden können. So ist es möglich, die überwiegende Mehrzahl der Fluorophore zunächst auszuschalten, dann wenige Moleküle sukzessive einzuschalten, und die Positionen zu bestimmen. Im Ganzen braucht man Zehntausende Bilder derselben Probe, um schlussendlich jedes Molekül zumindest einmal beobachtet zu haben. Mit modernen Kameras ist das jedoch kein Problem: nach einer halben Minute ist der Film aufgenommen. Längere Zeit braucht es dann, die hunderttausenden Positionen mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Ist man damit fertig, hat man aber Erstaunliches erreicht: ein vollständiges Bild der Probe mit einer Auflösung, die nicht mehr durch die Wellenlänge des Lichtes limitiert ist. Auch für diese Methode können wir uns ein Analogon auf unserer Stadtmauer vorstellen: jeder Wächter erhält eine Laterne, die er einbzw. ausschalten kann, sowie 5 Würfel. Nun beginnt

Abb. 2: Prinzip der hochauflösenden Mikroskopie mittels blinkender Farbstoff-Moleküle. In (a) ist eine Struktur mit der Ausdehnung von einigen hundert Nanometern zu sehen, bei der sich alle Farbstoffmoleküle im dunklen Zustand befinden. Würden alle Farbstoffe gleichzeitig leuchten, so würden sich die einzelnen Punkt-Bild-Funktionen auf Grund ihrer Nähe zueinander so überlagern, dass die Details der Struktur verborgen blieben (mittleres Bild). Wenn nun sehr wenige Farbstoffmoleküle gleichzeitig im hellen Zustand sind (b), können die einzelnen Positionen der Moleküle sehr genau berechnet werden. Wiederholt man derartige Aufnahmen oft genug, so sind auf jedem Bild andere Moleküle sichtbar; man kann somit die Positionen aller Farbstoffmoleküle berechnen und zu einem hochaufgelösten Bild zusammenfügen, das nun die Details der ursprüngliche Struktur wiedergibt (mittleres Bild). Ein Beispiel ist am rechten Abbildungsrand zu sehen: Die Membran von Neuronen wurde mittels einer blinkenden GFP-Mutante eingefärbt und abgebildet. Die obere Abbildung zeigt den Ausschnitt, wie er mittels herkömmlicher Fluoreszenzmikroskopie erscheint, die untere Abbildung die hochaufgelöste Variante. Figure 2: The principle of super-resolution microscopy using blinking dye molecules. In (a), a structure the size a few hundred nanometres can be seen with all dye molecules in the dark state. If all dyes were fluorescing simultaneously, the individual point spread functions would overlap due to their proximity to one another, concealing the details of the structure (middle image). If only a few dye molecules are in the bright state at the same time (b), the individual locations of the molecules can be calculated very accurately. If such images are repetitively taken, other molecules will become visible in the consecutive images; one can thereby calculate the positions of all dye molecules and merge them together into a super-resolution image that now reflects the details of the original structure (middle image). An example can be seen on the right edge of the image: the membrane of neurons was fluorescently labelled and imaged by means of a blinking GFP mutant. The upper figure shows a section of how it appears using standard fluorescence microscopy; the lower figure shows the super-resolution version.

least once. This, however, is not a problem when using state-of-the art cameras: one such movie takes only half a minute. Actually determining the hundreds of thousands single molecule positions takes a bit longer. But in the end, one has achieved a small miracle: a complete picture of the sample at a resolution that is not limited anymore by the wavelength of light. For this approach, too, we can envision an analogue at our city wall: every guard has a lantern that he can switch on or off, and 5 dices. Now every guard starts rolling his dice, and only if he has 5 of a kind he switches on his lantern for – let’s

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jeder Wächter zu würfeln, und bei 5 Gleichen schaltet er die Laterne für – sagen wir – 1  s ein. Ein entfernter Beobachter sieht das An- und Ausgehen der Lichtpunkte – die nun weit genug voneinander getrennt sind –, bestimmt die Positionen, und kann damit die Lage der Wachtposten ausspionieren. Das funktioniert leider nur dann, wenn sich die Proteine/Wächter während der Aufnahmezeit kaum bewegen. Man muss also schnell sein, oder langsame Moleküle auswählen. Wir sehen, dass neue Herangehensweisen erstaunliche Optionen zur Verbesserung der mikroskopischen Untersuchung von (biologischen) Proben ermöglichen. Wenn man’s geschickt macht, hilft die Probe beim Experiment mit: durch ihr Leuchten und Blinken werden solche Abbildungsverfahren erst möglich. Man hat somit elegant umschifft, was ein Jahrhundert lang beinahe den Rang eines Dogmas hatte: das Auflösungslimit der Lichtmikroskopie.

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say – one second. An observer from afar can see the appearance and disappearance of dots of light – that are now far enough apart -, he records their positions, and can thus spy on the location of the guard posts. This, however, only works, if the guards do not move during the time of recording. So you have to be very quick, or choose very slow molecules. It becomes clear that novel approaches can dramatically improve the quality of microscopic images of (biological) samples. If done cleverly, the fluorescent sample even provides the requirements for its own measurement: the blinking nature of its fluorescence makes such imaging techniques possible in the first place. By this way, the more than a century old issue in optical microscopy has been circumvented: the diffraction limit of light.

Friedrich Aumayr, Michael Eisterer, Helmut Leeb, Harald Weber

FUSIONSFORSCHUNG AN DER TU WIEN FUSION RESEARCH AT THE TU WIEN Eine saubere, umweltfreundliche, praktisch unerschöpfliche Energiequelle: Kernfusion zur Erzeugung von elektrischer Energie zu verwenden, gehört seit Jahrzehnten zu den großen Zielen der Wissenschaft. Mehrere Arbeitsgruppen an der TU Wien leisten ihren Beitrag dazu, diesen Traum Wirklichkeit werden zu lassen. Der seit Jahrzehnten wachsende Energiebedarf der Menschheit stößt sowohl durch knapper werdende Ressourcen als auch durch tatsächliche oder mögliche Umweltbeeinträchtigungen bei der Nutzung immer mehr an Grenzen. Besonders gefragt sind deshalb einerseits alle erneuerbaren („nachhaltigen“) Energiequellen, vor allem die Sonnenenergienutzung einschließlich Wasserund Windenergie, andererseits ein neuer, praktisch unerschöpflicher Energieträger, der durch die Kernfusion in Aussicht gestellt wird. Bereits vor nahezu 100 Jahren wurde erkannt, dass Verschmelzungsreaktionen leichter Atome die Energiequelle von Sonne und Sternen sind. Ziel der weltweiten Fusionsforschung ist es daher, die Energie, die bei der Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu Helium frei wird, für die Menschheit nutzbar zu machen. Die Fusionsforschung hat sich seit ihren Anfängen in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts in kontinuierlicher Detailarbeit auf ihr anspruchsvolles Ziel zubewegt. Derzeit wird im Süden Frankreichs der erste Fusionsreaktor gebaut, der ca. 10 Mal mehr Energie aus Fusion liefern wird als zur Heizung des (heißen) Plasmas notwendig ist: ITER – das gewaltigste Energieprojekt der Menschheitsgeschichte. Im Rahmen des European Fusion Development Agreements EFDA der EU haben dazu auch Arbeitsgruppen der TU Wien ihren Beitrag geleistet.

A clean, environmentally friendly, practically inexhaustible energy source: using nuclear fusion to produce electricity has been one of the major goals of science for decades. A number of work groups at the TU Wien are contributing to making this dream become reality. For decades, humankind’s growing demand for energy has been approaching its limits on account of dwindling resources and the concrete or potential adverse environmental effects resulting from their use. This means that all renewable (“sustainable”) energy sources, especially solar power, including hydroelectric and wind power are particularly in demand. On the other hand, there is also a new, practically inexhaustible energy source that is held in prospect by nuclear fusion. Almost 100 years ago, it became known that fusion reactions are the energy source of the sun and stars. The aim of global fusion research is to make the energy released by the fusion of hydrogen nuclei into helium usable for humanity. Since its beginnings in the 1950s, continuous and detailed work has brought fusion research closer to this ambitious goal. The first fusion reactor with net energy gain is currently under construction in the south of France. When finished, it will deliver approximately ten times more energy from fusion than is required to heat the (hot) plasma: ITER – the most ambitious energy project in human history. As part of the EU’s European Fusion Development Agreement (EFDA), work groups from the TU Wien have also made their contribution. Plasma Confinement in Magnetic Fields To ignite the fusion fire, the fuel – a very thin hydrogen plasma – must be heated to unimaginably high temper-

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Abbildung 1: ITER – das gewaltigste Energieprojekt der Menschheitsgeschichte – befindet sich derzeit in Cadarache (Südfrankreich) im Bau. Das internationale Gemeinschaftsexperiment ITER wird die erste Fusionsmaschine sein, die mehr Energie aus Kernfusion liefert, als zum Heizen des Plasmas notwendig ist Figure 1: ITER – the most ambitious energy project in human history – is currently under construction in Cadarache (Southern France). ITER, an international joint experiment, will be the first fusion machine to deliver more energy from nuclear fusion than is needed to heat the plasma

Plasmaeinschluss in Magnetfeldern Zum Zünden des Fusionsfeuers muss der Brennstoff – ein sehr dünnes Wasserstoff-Plasma – in einem ringförmigen Gefäß (Torus) auf unvorstellbar hohe Temperaturen im Bereich von mehr als 100 Millionen Grad Celsius aufgeheizt werden. Ein starkes Magnetfeld hält dabei den heißen Plasmaring im Inneren des „Tokamak“ genannten Torus in Schwebe und unterbindet somit weitgehend den Kontakt mit der materiellen Gefäßwand. Großes Augenmerk liegt dabei auf der für die Wärmeisolation des Plasmas entscheidenden Übergangsregion zwischen dem heißen Fusionsplasma und der kühleren Plasmarandschicht. Eine an der TU Wien entwickelte Diagnostikmethode, bei der schnelle Lithium­ atome in das Plasma eingeschossen werden und das Aufleuchten des Strahles beim Eindringen in das Plasma spektroskopisch analysiert wird, hat sich hierzu als besonders wertvolles Instrument erwiesen. Die sogenannte Lithiumstrahldiagnostik ist heute eine Standardtechnik, die weltweit bei allen großen Fusionsexperimenten zur Messung von Plasmadichte-Profilen in der

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atures, exceeding 100 million degrees Celsius, in a ringshaped container (torus). A strong magnetic field holds the hot plasma ring inside the torus, called a tokamak, in suspension, thereby largely eliminating contact with the material wall of the container. Great attention is placed here on the transition region between the hot fusion plasma and the cooler plasma edge, which is crucial for the thermal insulation of the plasma. One of the diagnostic methods developed at the TU Wien, in which fast lithium atoms are injected into the plasma and light emitted from the beam upon penetration into the plasma is analysed spectroscopically, has proven to be an especially valuable instrument. Today, the so-called lithium beam diagnostic method is a standard technique used around the world in all large fusion experiments to measure plasma density profiles in the plasma edge and to observe plasma fluctuations and instabilities. As Austria is not conducting a fusion experiment of its own, corresponding investigations are being performed by doctoral students and employees of the Atomic and Plasma Physics group of the Institute of Applied Physics at the TU Wien (directed by Friedrich Aumayr) in the ­ASDEX Upgrade experiment of the Max Planck Institute of Plasma Physics in Garching near Munich, in a collaboration that has been ongoing for decades. Plasma Wall Interaction In spite of the magnetic confinement, charged particles (ions) may strike the wall of the reactor with very high energy. This leads to the erosion of the wall material,

Randschicht und zur Beobachtung von Plasmafluktuationen und -instabilitäten zum Einsatz kommt. Da Österreich selbst kein eigenes Fusionsexperiment betreibt, werden entsprechende Untersuchungen von Doktorandinnen/Doktoranden und Mitarbeiterinnen/Mitarbeitern der Arbeitsgruppe Atom- und Plasmaphysik des Instituts für Angewandte Physik der TU Wien (Leitung Friedrich Aumayr) am Experiment ASDEX Upgrade des Max Planck Instituts für Plasmaphysik in Garching bei München durchgeführt, mit dem eine jahrzehntelange Kooperation besteht. Plasma-Wand-Wechselwirkung Trotz des magnetischen Einschlusses können geladene Teilchen (Ionen) aus dem Fusionsplasma mit sehr hoher Energie auf die Wand des Reaktors einschlagen. Dadurch kommt es zur Abtragung von Wandmaterial, die bis zur vollständigen Erosion und damit zur Zerstörung der Wand führen kann. Die Wechselwirkung der Teilchen aus dem Plasma mit den Reaktorwänden muss deshalb genau untersucht werden, um geeignete Materialien für die erste Wand eines Fusionskraftwerkes auswählen zu können. In der Arbeitsgruppe für Atom- und Plasmaphysik von Friedrich Aumayr werden dazu die Bedingungen im Wandbereich eines Fusionsreaktors experimentell nachgestellt. Im Labor lässt sich so die Auswirkung der energetischen Ionen auf Festkörperoberflächen viel genauer studieren als das im Inneren eines Fusionsreaktors möglich wäre. Besonders hilfreich ist dabei eine am Institut für Angewandte Physik selbst entwickelte hochpräzise Quarz-Mikrowaage: Ein Stück des Oberflächenmaterials, das im Fusionsreaktor verwendet werden soll, wird mit energetischen Teilchen beschossen. Dabei wird seine Gewichtsänderung durch diese Quarz-Mikrowaage äußerst genau gemessen. So stellt man fest, ob das Teilchenbombardement Atome aus dem Oberflächenstück herausschlägt (Zerstäubung) und seine Masse abnimmt, oder ob im Gegenteil die Projektile in die Oberfläche eingelagert werden (Implantation) und so die Masse des untersuchten Oberflächenstücks vergrößern und dessen

Abbildung 2: Florian Laggner vom Institut für Angewandte Physik vor seiner am Fusionsexperiment ASDEX Upgrade (Garching, Deutschland) aufgebauten Lithiumstrahldiagnostik. Figure 2: Florian Laggner from the Institute of Applied Physics with his lithium beam diagnostic system mounted on the ASDEX Upgrade fusion experiment (Garching, Germany).

which can result in complete destruction of the wall. The interaction of the particles from the plasma with the reactor walls must therefore be examined very closely in order to be able to select suitable materials for the first wall of a fusion power station. In Friedrich Aumayr’s work group for Atomic and Plasma Physics, the conditions near the wall of a fusion reactor are experimentally reconstructed with this aim. In the laboratory, the effects of the energetic ions on solid surfaces can thereby be studied much more precisely than would be possible in the interior of a fusion reactor. Particularly helpful here is the highly precise quartz microbalance developed by the Institute of Applied Physics: a piece of the surface material to be used in the fusion reactor is bombarded with energetic particles. During this process, changes in weight are measured with extremely high precision using the quartz microbalance. This makes it possible to determine whether the particle bombardment knocks atoms out of the surface section (erosion) and reduces its mass, or if the opposite occurs and the projectiles are implanted in the surface (retention) increasing the mass

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chemische Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften verändern.

of the surface section being studied and changing its chemical composition and physical properties.

Strahlenbeständigkeit von Magnetkomponenten

Radiation Resistance of Magnetic Components

Die Arbeitsgruppe Tieftemperaturphysik und Supraleitung des Atominstituts (Michael Eisterer, Harald Weber) forscht seit Jahrzehnten an der Eignung von Supralei-

The Low Temperature Physics and Superconductivity work group at the Atominstitut (Michael Eisterer, Harald Weber) has been researching the suitability of superconductors and insulation materials for fusion magnets for decades. The huge magnets in the tokamak reactors place high demands on the materials used. In addition to the enormous mechanical loads, the neutrons that are produced during the fusion reaction constantly damage all components. High-energy neutron radiation causes problems, in particular, for the materials of the first wall, which encloses the plasma. By the time it reaches the superconducting magnets, it has weakened a millionfold. Thus, the exposure to the magnets that results from years of operation can be “simulated” in just a few weeks with the help of the research reactor at the Institute of Atomic and Subatomic Physics. The unique possibility to characterise these radioactive materials following irradiation using state-of-the-art measurement techniques has made the TU Wien the world’s leading institution in this research field. For ITER it was possible to show that the originally intended insulation, based on epoxy resin, was unsuitable due to its lack of radiation resistance. A new insulation material was developed through the addition of cyanate ester resins and will now be used in ITER. Within the scope of the European project EUROFUSION, the suitability of high-temperature superconducting tape conductors is being studied for future fusion power stations and, in particular, the planned DEMO power station prototype. The radiation resistance of these modern materials will be compared with that of conventional superconductors. High-temperature superconductors (HTS) facilitate higher operating temperature for the magnets, higher achievable magnetic fields, and have better mechanical properties than the conventional Nb3Sn wires. With their help, it may be possible to not

tern und Isolationsmaterialien für Fusionsmagnete. Die riesengroßen Magnete der Tokamak-Reaktoren stellen hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien. Neben der enormen mechanischen Belastung sorgen auch die Neutronen, die bei der Fusionsreaktion entstehen, für eine beständige Schädigung aller Komponenten. Die hochenergetische Neutronenstrahlung bereitet insbesondere den Materialien der das Plasma umgebenden ersten Wand Probleme. Bis sie die supraleitenden Magnete erreicht, ist sie millionenfach abgeschwächt, sodass die aus jahrelangem Betrieb resultierende Strahlenbelastung der Magnete innerhalb weniger Wochen mithilfe des Forschungsreaktors am Atominstitut „simuliert“ werden kann. Die einzigartige Möglichkeit, diese nach Bestrahlung radioaktiven Materialien im Haus mit modernsten Messtechniken charakterisieren zu können, hat die TU Wien zur weltweit führenden Institution in diesem Forschungsbereich gemacht. Schon für ITER konnte gezeigt werden, dass die ursprünglich angedachte, auf Epoxidharz basierende Isolierung aufgrund ihrer mangelnden Strahlenbeständigkeit untauglich ist. Durch Beimengung von Cyanatester-basiertem Harz konnte ein neues Isolationsmaterial entwickelt werden, das nun in ITER zum Einsatz kommen wird. Derzeit wird im Rahmen des europäischen Projektes EUROFUSION die Eignung von hochtemperatursupraleitenden Bandleitern für zukünftige Fusionskraftwerke und insbesondere den geplanten Kraftwerksprototyp DEMO untersucht. Die Strahlenbeständigkeit dieser neuartigen Materialien soll mit jener der konventionellen Supraleiter verglichen werden. Hochtemperatursupraleiter (HTS) erlauben eine höhere Betriebstemperatur der Ma-

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gnete, höhere erreichbare Magnetfelder und haben bessere mechanische Eigenschaften als die konventionellen Nb3Sn – Drähte. Mit ihrer Hilfe könnte nicht nur die Effizienz gesteigert, sondern auch ein kompakteres Design der Reaktoren erreicht werden, was die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit der Kernfusion wesentlich steigern würde. Die geschichtete Kristallstruktur der HTS führt zu einer ausgeprägten Anisotropie dieser Materialien, insbesondere der technologisch wichtigsten Eigenschaft, der Stromtragfähigkeit. Für das Design eines Fusionsmagneten ist damit die Stromtragfähigkeit als Funktion von Temperatur, Magnetfeld, Orientierung sowie der mechanischen Belastung wesentlich. All diese Abhängigkeiten und deren Änderung nach Neutronenbestrahlung können am Atominstitut bestimmt werden.

Abbildung 3: Katharina Dobes von der TU Wien arbeitet an der Quarz-Mikrowaage. Figure 3: Katharina Dobes from the TU Wien working with the quartz microbalance.

Nukleardaten für die Fusion Durch die bei der Kernfusion entstehenden Neutronen kommt es nicht nur zu einer Veränderung der physikalischen Eigenschaften des das Fusionsplasma umgebenden Materials, sondern auch zu einer Reihe von Kernreaktionen, die teils erwünscht (Erbrütung des Wasserstoffisotops Tritium), teils aber unerwünscht sind (langlebige radioaktive Kerne). Im direkten Auftrag der europäischen ITER Organisation F4E (Fusion for Energy) entwickelt Helmut Leeb mit seinem Team vom Atominstitut der TU Wien dazu theoretische Methoden zur Evaluierung von Wirkungsquerschnitten solcher Neutronenreaktionen, welche die Grundlage entsprechender Datenbasen für die Kernfusion bilden. TU Fusionsforschung im Rahmen von Horizon 2020 Alle genannten Gruppen sind über das österreichische Fusionsforschungsprogramm Fusion@ÖAW der Akademie der Wissenschaften auch am EUROFUSION Konsortium beteiligt, das im neuen Rahmenprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union die physikalischen und

only increase efficiency but also to achieve a more compact reactor design, which would considerably increase the economic competitiveness of nuclear fusion. The coated crystalline structure of the HTS means a pronounced anisotropy of these materials, especially for the most important technical property: current-carrying capacity. For the design of a fusion magnet, the current-carrying capacity as a function of temperature, magnetic field, orientation and mechanical loading is decisive. All of these dependencies and how they change following neutron radiation can be determined at the Atominstitut. Nuclear Data for Fusion The neutrons produced during nuclear fusion lead not only to a change in the physical properties of the material that surrounds the fusion plasma, but also to a number of nuclear reactions, some of which are desired (breeding of the hydrogen isotope tritium), as well as some that are not desired (long-lived radioactive nuclei). Working directly on behalf of the European ITER organisation F4E (Fusion for Energy), Helmut Leeb, together with his team

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technologischen Grundlagen für die Realisierung dieser einzigartigen und vielversprechenden neuen Methode zur Energiegewinnung erarbeiten wird. Darüber hinaus leisten sie einen wichtigen Beitrag zur Ausbildung von jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, Ingenieurinnen und Ingenieuren, die für die Inbetriebnahme und den Betrieb von ITER benötigt werden.

at the Atominstitut, is developing theoretical methods for evaluating effective cross-sections of such neutron reactions, which form the basis of corresponding databases for nuclear fusion. TU Fusion Research Within the Scope of Horizon 2020 All of the aforementioned groups are also involved in the EUROFUSION Consortium via the Austrian Fusion Research Programme Fusion@ÖAW of the Austrian Academy of Sciences, which will work on the physical and technological foundations for realising these unique and promising new methods for energy production in the new Horizon 2020 programme of the European Union. Furthermore, they make an important contribution to the education of young scientists and engineers who will be needed for the commissioning and operation of ITER.

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Thorsten Schumm, Johannes Majer, Peter Rabl, Arno Rauschenbeutel, Hannes-Jörg Schmiedmayer

QUANTENPHYSIK UND QUANTENTECHNOLOGIE QUANTUM PHYSICS AND QUANTUM TECHNOLOGY Die Quantenmechanik beschreibt die Natur auf der mikroskopischen Ebene der Atome und Moleküle. Ihre Gesetzmäßigkeiten führen zu verblüffenden, teils verstörenden Phänomenen wie der Unschärfe physikalischer Messgrößen, Überlagerungen zwischen sich widersprechenden Messergebnissen (siehe Schrödingers Katze) und Verschränkungen zwischen Eigenschaften räumlich getrennter Teilchen. Die Quantenmechanik hat unser Verständnis einer physikalischen Theorie und der Bedeutung des Messprozesses grundlegend verändert. Die Vorhersagen der Quantenphysik eröffnen konzeptuell neue Zugänge zu einer Reihe technologischer Fragestellungen wie beispielsweise der Speicherung und Verarbeitung von Information (Quantencomputer), der abhörsicheren Übertragung von Daten (Quantenkommunikation) und Präzisionsmessgeräten wie Atomuhren und Interferometer (Quantenmetrologie). Forschungsgruppen an der TU Wien arbeiten daran, quantenphysikalische Effekte zu beobachten und robuste Implementierungen für zukünftige Quantentechnologien zu entwickeln. Quantenphysik und Quantentechnologie ist einer der fünf Forschungsschwerpunkte der TU Wien. Seit ihrer Entwicklung vor mehr als 100 Jahren beschäftigen sich Forscher mit den Vorhersagen der Quantenmechanik. Zusammen mit der Quantenelektrodynamik ist sie die mit Abstand am genauesten überprüfte wissenschaftliche Theorie. Viele grundlegende Quanteneffekte haben mittlerweile technologische Anwendungen und damit Eingang in unseren Alltag gefunden. Der Laser ist aus der Medizintechnik, der Materialbearbeitung, der

Quantum mechanics describes nature on the microscopic scale of atoms and molecules. Its laws lead to baffling, sometimes even disturbing phenomena, such as the uncertainty of physical quantities, superpositions of contradicting measurement results (see Schrödinger’s cat), and the entanglement of the properties of spatially separated particles. Quantum mechanics has fundamentally changed our understanding of physical theory and the meaning of the measurement process. The predictions of quantum physics provide conceptually new approaches to a whole series of technological topics, such as the storage and processing of information (quantum computers), the encrypted transmission of data (quantum communications), and precision measurement instruments such as atomic clocks and interferometers (quantum metrology). Research groups at the TU Wien are seeking to observe quantum effects and to develop robust implementations for future quantum technologies. Quantum physics and quantum technology are one of five research focus areas of the TU Wien. Researchers have been studying quantum mechanics and its predictions since it was first developed over 100 years ago. Together with quantum electrodynamics, it is by far the most tested scientific theory. Meanwhile, many fundamental quantum effects have found their way into technological applications and thereby into our everyday life. Medical technology, material processing, trace analysis/forensics, data processing, and communications can no longer be imagined without lasers, not to mention their use in CD/DVD devices, which number in the billions. Atomic clocks not only define time

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Spurenanalytik/Forensik sowie der Informationsverarbeitung und Kommunikation nicht mehr wegzudenken, er wird milliardenfach in CD/DVD Geräten verwendet. Atomuhren definieren nicht nur die global gültige Zeit, sie sind über Systeme wie GPS, Galileo oder GLONASS auch die Basis unserer satellitengestützten Navigation, wie wir sie in Fahrzeugen oder Smartphones täglich verwenden. Kernspintomographen basieren auf einem quantenphysikalischen Spin, die verwendeten Magnetfelder werden von supraleitenden Spulen erzeugt. Die Quantenphysik bestimmt, wie genau eine physikalische Größe wie Zeit, Geschwindigkeit, Position überhaupt gemessen werden kann. Zu Überprüfung dieser Vorhersagen wurden Messgeräte am „Quantenlimit“ entwickelt: Massen von Atomen und Molekülen können in Teilchenfallen mit einem relativen Fehler von 10-12 bestimmt werden, Energien/Frequenzen werden in optischen Atomuhren bis auf 18 Stellen nach dem Komma genau gemessen. Interferometer in Gravitationswellendetektoren messen Längenänderungen kleiner als ein Atomkern. Mit solchen Messungen lassen sich grundlegende Fragestellungen behandeln, z.B. ob die Grundkräfte der Physik konstant sind oder sich mit der Zeit ändern. Die präzise Kontrolle über einzelne Quantensysteme ermöglicht nicht nur fundamentale Untersuchungen im Bereich der Grundlagenforschung, sondern auch neuartige technologische Anwendungen, die auf den Prinzipien der Überlagerung und Verschränkung beruhen. Die Realisierung neuer Methoden der Quanteninformationsverarbeitung zur Lösung hoch komplexer Probleme und die abhörsichere Kommunikation über „Quantenkanäle“ stellen hierbei eine der zentralen wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts dar. Damit ein Quantensystem (z.B. Photonen, Atome, Moleküle) als Sensor, für technologische Anwendungen oder Quanteninformation verwendet werden kann, bedarf es einer robusten Implementierung. An solchen Umsetzungen der Quantenphysik in Quantentechnologien wird an der TU Wien gearbeitet.

that is globally accurate. They are also the basis, of the satellite-based navigation devices that we use daily in our vehicles and smart phones, through systems such as GPS, Galileo, and GLONASS. MRI scanners are based on quantum spin while the magnetic fields used are generated in superconducting coils. Quantum physics determines how accurately a physical quantity such as time, velocity, or position can ultimately be measured. To verify these predictions, measurement instruments were developed at the “quantum limit”. Atomic and molecular masses can be measured in particle traps with a relative error of 10-12; energies/ frequencies are being measured in optical atomic clocks to 18 places after the decimal point. Interferometers in gravitational wave detectors measure length changes that are smaller than one atomic nucleus. This measurement accuracy allows us to approach a number of fundamental questions, for example, whether the basic forces of physics are constant or whether they change with time. The precise control of individual quantum systems not only makes fundamental studies in the area of basic research possible, but also enables innovative technological applications based on the principles of superposition and entanglement. The implementation of new methods in the area of quantum information processing for the solution of highly complex problems and the encrypted communication via “quantum channels” are, in this context, the central scientific and technological challenges of the 21st century. Using quantum systems (i.e. photons, atoms, molecules) as sensors for technological applications or quantum information requires a robust implementation. Such conversions of quantum physical concepts into quantum technologies are being pursued at the TU Wien. Quantum Research Groups at the TU Wien There are currently four workgroups whose research is explicitly in the area of quantum physics and its technological applications: Atomic Physics and Quantum Optics

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Quantenforschungsgruppen an der TU Wien Derzeit forschen an der TU Wien vier Arbeitsgruppen explizit im Bereich der Quantenphysik und ihren technologischen Anwendungen: Atomphysik und Quantenoptik (Schmiedmayer), Angewandte Quantenphysik (Rauschenbeutel), Quantenmetrologie (Schumm) und Theoretische Quantenoptik (Rabl). Alle sind am Atominstitut angesiedelt. In vielen weiteren Arbeitsgruppen der Physik spielt die experimentelle Untersuchung und theoretische Beschreibung fundamentaler Quanteneffekte auf atomarer und subatomarer Ebene sowie in Festkörpern eine wichtige Rolle. Atomphysik und Quantenoptik: Eine Forschungsrichtung untersucht ultrakalte atomare Gase, die auf sogenannten Atomchips manipuliert werden. Diese Gase bestehen aus tausenden Atomen, die jedoch mit einer einzigen komplexen Vielteilchen-Wellenfunktion beschreibbar (Abb. 1). Damit lassen sich auf der einen Seite ultra-präzise Magnetfeldsensoren sowie Atominterferometer realisieren und auf der anderen Seite fundamentale Fragestellungen der Quantenphysik behandeln und damit der Grenzbereich zwischen quantenphysikalischer und klassischer Beschreibung der Welt ausloten. Im Rahmen von Quantensimulationen werden Modellsysteme für Nicht-Gleichgewichts-Quantenfeldtheorien gebaut, um ein breites Spektrum von Quanten-Phänomenen zu illustrieren, die von Festkörperphysik über Hochenergiephysik bis hin zur Kosmologie reichen. Eine zweite Forschungsrichtung beschäftigt sich mit der Entwicklung von robusten Quantentechnologien durch Verbindung verschiedener Quantenbausteine zu hybriden Quantensystemen. Beispiele sind supraleitende Quantenschaltkreise gekoppelt an Spin-Ensembles in Festkörpern, oder Netzwerke von Elektron- und Kernspins in Diamant gekoppelt durch optische Photonen und Mikroresonatoren (Abb. 2). Mögliche Anwendungen sind Sensorik, Metrologie und Quanteninformationsverarbeitung. In der Forschungsgruppe Angewandte Quantenphysik wird mit Hilfe von speziellen Glasfasern ebenfalls die quantenmechanische Kopplung von Licht und Materie

Abb. 1: Falschfarben-Darstellung der Dichteverteilung einer Atomwolke nach einer Interferometersequenz. Man erkennt die aus der Optik bekannten Interferenzstreifen, Position und Verlauf der Streifen erlaubt Rückschlüsse auf die quantenmechanische Phase. Aus der statistischen Verteilung vieler Phasenmessungen lassen sich wichtige Informationen über den thermodynamischen Zustand des Systems gewinnen (Hintergrund). Figure1: False-colour illustration of the density distribution of an atomic cloud after an interferometer sequence shows the interference fringes known from optics. The position and pattern of the interference fringes gives access to the quantum mechanical phase. Important information regarding the thermodynamic state of the system (background) can be obtained from the statistical distribution of many phase measurements.

(Schmiedmayer), Applied Quantum Physics (Rauschenbeutel), Quantum Metrology (Schumm), and Quantum Optics Theory (Rabl). All groups are located in the Institute of Atomic and Subatomic Physics. The experimental study and theoretical description of fundamental quantum effects on an atomic and subatomic scale, as well as in solids, also plays an important role in many other research groups of the physics department. Atomic Physics and Quantum Optics: A research field investigating ultra-cold atomic gases, which are manipulated on so-called atom chips. These gases consist of thousands of atoms, which, however, can be described with a single many-body wave function (Fig. 1). This

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Abb. 2: Der Quantenchip, mit dem es möglich ist, Mikrowellen an Quantenzustände eines Diamanten zu koppeln. In der Mitte ist der gewundene Mikrowellen-Resonator zu erkennen. In der darüber sitzenden dunklen Diamantschicht werden die Quantenzustände in Stickstoff-Fehlstellen-Zentren stabil gespeichert. Figure2: The quantum chip makes it possible to couple microwaves to the quantum states of a diamond. Microstructured microwave resonators that enable fast computational operations are at the centre, the dark diamond layer in which the quantum states can be stably stored in the nitrogen centres of the carbon grid of the diamond is visible.

(Atomen, Molekülen, etc.) untersucht (Abb. 3). Genauer gesagt werden ultradünne Glasfasern verwendet, um eine faseroptische Schnittstelle zwischen den Lichtquanten und den Teilchen zu schaffen, die auf der Faseroberfläche sitzen. Je nach Anwendung reicht der Durchmesser der Glasfasern hierbei von einigen zehn Mikrometern bis hinunter zu einigen hundert Nanometern, wobei der starke räumliche Einschluss des Lichts wie eine extreme Fokussierung wirkt und die Licht-Materie Wechselwirkung verstärkt. Eine solche starke Kopplung von Licht und Materie mittels Glasfasern eröffnet eine Reihe von neuen Möglichkeiten, wie den ultrahochempfindlichen Nachweis von Molekülen, chemische und biologische Nano-Untersuchungen, atomare Lichtschalter sowie neuartige Lichtquellen, die in der Quantenkommunikation, in der Quanten-Kryptographie und in der Quanten-Informationsverarbeitung benötigt werden. Die Forschungsgruppe Quantenmetrologie beschäftigt sich mit Präzisions-Laserspektroskopie und Materiewellen-Interferometrie. Aufgrund ihrer Ruhemasse sind massive Teilchen wie Atome oder Moleküle (im Vergleich

makes it possible to implement ultra-precise magnetic field sensors as well as atomic interferometers on the one hand, and to treat fundamental problems of quantum physics on the other, in turn facilitating the study of the intersection of a quantum physical and classical description of the world. Within the scope of quantum simulations, model systems for non-equilibrium quantum field theories are constructed in order to illuminate a broad spectrum of quantum phenomena, ranging from solid state physics to high energy physics to cosmology. A second research field involves the development of robust quantum technologies through the combination of different quantum components into hybrid quantum systems. Examples are super-conducting quantum circuits coupled to spin ensembles in solids, or networks of electron and nuclear spins in diamond, coupled through optical photons and micro-resonators (Fig. 2). Possible applications are sensing, metrology, and quantum information processing. In the Applied Quantum Physics research group, the quantum mechanical coupling of light and matter (atoms, molecules etc.) is also studied, using special glass fibres (Fig. 3). More precisely, ultra-thin glass fibres are used to create a fibre-optic interface between the light quanta and the particles that are located on the fibre’s surface. Depending on the application, the diameter of the glass fibres ranges from a few tens of micrometres down to several hundred nanometres, where the strong spatial confinement of the light has the effect of tightly focusing it, amplifying the light-matter interaction. Such strong coupling of light and matter using glass fibres provides numerous new opportunities. Potential applications include the ultra-sensitive detection of molecules, chemical and biological nano-scale studies, atomic light switches, and innovative light sources needed in quantum cryptography and quantum data processing. The Quantum Metrology research group studies precision laser spectroscopy and matter wave interferometry. Due to their rest mass, massive particles such as atoms and molecules are very sensitive to external forces (compared to photons). Matter wave interferometers

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zu Photonen) sehr empfindlich auf äußere Kräfte. Materiewelleninterferometer sind daher hervorragende Sensoren für Rotationen und Beschleunigungen. Die Wechselwirkungen zwischen Teilchen können verwendet werden, um komplexe Quantenzustände – sogenannte „gequetschte Zustände“ – oder Vielteilchen-Verschränkung zu erzeugen. Die Forschungsgruppe untersucht, inwieweit sich Materieinterferometer durch Verwendung solcher Quantenzustände verbessern lassen. In einer zweiten Forschungsrichtung soll durch die Stabilisierung eines Lasers auf einen optischen Kernübergang im seltenen Radioisotop Thorium-229 ein neuartiger Typ Atomuhr – eine „Kernuhr“ – entwickelt werden. Da diese Kernuhr in einem wenige Millimeter großen Festkörper realisiert werden kann, wird sie wesentlich einfacher, robuster und transportabler sein als herkömmliche Atom­ uhren. Die Arbeitsgruppe Theoretische Quantenoptik untersucht neue Methoden, um das Verhalten von einzelnen oder gekoppelten Quantensystemen aus dem Bereich der Atom- und Festkörperphysik zu kontrollieren und zu detektieren. Das Ziel dabei ist es, die Basis sowohl für grundlegende Untersuchungen der Quantenphysik als auch für technologische Anwendungen, z.B. im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung zu schaffen. Die theoretische Modellierung der Wechselwirkung eines Quantensystems mit seiner Umgebung und die Entwicklung neuer Ansätze, verschiedenste physikalische Systeme (Hybrid-Quantensysteme) stark aneinander zu koppeln, spielen dabei eine zentrale Rolle. Ein aktuelles Beispiel hierzu ist die Verbindung von mikroskopischen Quantensystemen, wie Elektronen oder Photonen, mit „makroskopisch“ großen mechanischen Resonatoren, um z.B. den Übergang der Quanten- zur klassischen Physik zu untersuchen (Abb. 4). Die Quantengruppen der TU Wien arbeiten auf vielen Gebieten direkt zusammen und verwenden gemeinsame Infrastruktur, Studierende, Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter profitieren von gemeinsamen Vorlesungen, Seminaren und Gastprofessuren. Zusätzliche Strukturen vernetzen uns mit Quantenforscherinnen und -forschern

Abb. 3: Das Bild zeigt eine Glasfaser deren Durchmesser halb so klein ist wie der Durchmesser eines menschlichen Haars. In dieser Glasfaser läuft Licht auf einer Spiralbahn um deren Achse. So bleibt das Licht gefangen und für einige Zeit gespeichert. Derartige Lichtspeicher – sogenannte optische Mikroresonatoren – nutzt man überall dort, wo die Wechselwirkung von Licht in Materie verstärkt werden soll. Figure 3: The image shows a glass fibre with a diameter half that of a human hair. In the glass fibre, light follows a spiral path around the axis of the fibre. This traps the light, storing it for a certain time. Such light storage devices – called optical micro-resonators – are used when the interaction between light and matter needs to be amplified.

are excellent sensors for rotation and acceleration. The interactions between particles can be used to create complex quantum states – so-called “squeezed states” – or many-particle entanglement. The research group investigates how matter interferometers can be improved through the use of such quantum states. Another research field studies ways of developing an innovative atomic clock – a “nuclear clock” – by stabilising a laser at the frequency of an optical nuclear transition in the rare radioisotope Thorium-229. Since this nuclear clock can be implemented in a crystal measuring only a few millimetres, it will be significantly simpler, more robust, and more mobile than conventional atomic clocks. The Quantum Optics Theory workgroup investigates new methods for controlling and detecting the response of individual and coupled quantum systems in the field of atomic and solid state physics. The goal here is to create a basis for the fundamental study of quantum physics as well as for technological applications, for example in the area of quantum information processing. The theoretical modelling of the interaction of a quantum system

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Abb. 4: Kopplung von mikro- und makroskopischen Quantensystemen. a) Magnetische Kopplung eines elektronischen Spins an einen mechanischen Resonator. b) Optomechanische Kopplung von einzelnen Photonen an die Vibrationen einer Membran in einem optischen Resonator. Figure 4: Coupling of micro- and macroscopic quantum systems: a) Magnetic coupling of an electronic spin to a mechanical resonator, b) Opto-mechanical coupling of individual photons to the vibrations of a membrane in an optical resonator.

in Wien und Österreich: das Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ), der Wien-Innsbruck SFB Foundations and Applications of Quantum Science and Technology (FoQuS), sowie das gemeinsame Doktoratskolleg von TU Wien, Uni Wien und ÖAW Complex Quantum Systems (CoQuS).

with its environment and the development of innovative approaches to strongly couple very different physical systems (hybrid-quantum systems) with one another play a central role. A current example in this regard is this combination of microscopic quantum systems, such as electrons or photons, with “macroscopically” large mechanical resonators in order to study, for example, the transition from quantum to classical physics (Fig. 4). The quantum research groups at the TU Wien collaborate in many fields and share a common infrastructure, with degree candidates and collaborators benefitting from joint lectures, seminars, and guest lecturers. We are also networked with quantum researchers in Vienna and throughout Austria, including the Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ), the Vienna-Innsbruck SFB Foundations and Applications of Quantum Science and Technology (FoQuS), and the joint doctoral programme of the TU Wien, University of Vienna, and ÖAW in Complex Quantum Systems (CoQuS).

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Gerald Badurek, Stephan Sponar

QUANTENPHYSIKALISCHE GRUNDLAGENEXPERIMENTE MIT NEUTRONEN FUNDAMENTAL QUANTUM PHYSICS EXPERIMENTS WITH NEUTRONS Neutronen sind aufgrund ihrer elektrischen Neutralität in der Lage, tief in das Innere jeglicher Materie vorzudringen und dort vollkommen zerstörungsfrei die momentane Position und den Bewegungszustand der Atome und Moleküle, d.h. die räumliche Struktur und zeitliche Dynamik von kondensierter Materie, also von Festköpern und Flüssigkeiten, zu erkunden. Da sie aber trotz ihrer Ladungsfreiheit ein magnetisches Moment besitzen, sind sie darüber hinaus auch eine ideale Sonde für die Untersuchung magnetischer Phänomene mit atomarer Auflösung. Die Bandbreite der Anwendungen der Neutronenstreuung ist nahezu unübersehbar groß, und ihre Beiträge sind weder aus den anwendungsorientierten Problemen der Hochtechnologie und Werkstoffwissenschaften wegzudenken, noch aus der Grundlagenforschung in Physik, Chemie, Biologie und Geowissenschaften. Wie im Folgenden gezeigt wird, ist das Neutron aber auch für sich allein genommen ein faszinierendes quantenmechanisches Objekt. Interferometrie mit Materiewellen Die von Helmut Rauch, dem Doyen der angewandten Quantenphysik in Österreich, und seiner Gruppe Anfang der 1970er Jahre erstmals realisierte Neutroneninterferometrie mit sogenannten Perfektkristallen ist bis heute die einzige Möglichkeit, gemäß dem quantenmechanischen Welle-Teilchen Dualismus Materiewellen über makroskopische Distanzen kohärent aufzuspalten und danach nach zwischenzeitlicher Modifikation auch

Neutrons, since they are electrically neutral, are able to penetrate deeply into the interior of any matter and to explore, completely non-destructively, the instantaneous position and state of motion of the atoms and molecules, i.e. the spatial structure and temporal dynamics of condensed matter, meaning solid bodies and fluids. Since neutrons, despite having no charge, nonetheless have a magnetic moment, they are also the ideal probe for investigating magnetic phenomena at an atomic resolution. The breadth of applications of neutron scattering is almost inconceivably far-reaching, and its contributions to the solution of practical problems in high-tech and material sciences have been essential, as has been the case regarding fundamental research in physics, chemistry, biology, and the geosciences. As discussed below, however, the neutron itself is a fascinating quantum mechanical object. Interferometry with Matter Waves Neutron interferometry with so-called perfect crystals, which was realized first by Helmut Rauch, the doyen of applied quantum physics in Austria, and his group in the early 1970s, is today still the only option for splitting matter waves over macroscopic distances of several centimetres according to quantum mechanical wave-particle dualism, and for then successfully recombining them after intermittent manipulation – representing a powerful tool for the study and verification of fundamental quantum mechanical phenomena that have been published

Quantenphysikalische Grundlagenexperimente mit Neutronen  | 73

Abb. 1: Schema eines monolithischen Perfektkristall-Neutroneninterferometers. Verändert man die Phasendifferenz zwischen den beiden Teilwellen so beobachtet man in den beiden hinter dem Interferometer austretenden Strahlen gegenläufige Intensitätsoszillationen. Figure 1: Schema of a monolithic perfect crystal-neutron interferometer. When changing the phase difference between the two partial waves, one observes counter-propagating intensity oscillations in the two beams that emerge from the rear of the interferometer.

wieder erfolgreich zu rekombinieren. Dieses mächtige Werkzeug zur Untersuchung und Verifikation fundamentaler quantenmechanischer Phänomene führte zu einer Vielzahl spektakulärer, weltweit Aufsehen erregender Experimente die in den renommiertesten Wissenschaftsjournalen (Nature, Physical Review Letters, etc.) publiziert wurden. Als ein mittlerweile wahrlich als historisch zu bezeichnendes Beispiel sei der 1975 erstmals gelungene direkte experimentelle Nachweis angeführt, dass Neutronen, die als sogenannte Fermiteilchen zusammen mit Protonen und Elektronen die bekannte „normale“ Materie im Universum ausmachen, bei einer vollen 360°- Drehung nicht mehr identisch zu ihrem ursprünglichen Zustand sind, sondern erst nach einer weiteren Umdrehung. Diese „4π-Periodizität der Wellenfunktion“ liefert einen offensichtlich jeglicher klassischen Intuition vollkommen widersprechenden Befund! Das geniale, von Helmut Rauch erdachte und gemeinsam mit seinem damaligen Doktoranden Wolfgang Treimer und dem Pionier der Röntgeninterferometrie, Ulrich

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in the most renowned scientific journals (Nature, Physical Review Letters, etc.), gathering worldwide attention. An example that can truly be said to be of historic proportion is the first successful direct experimental verification in 1975, proving that neutrons, which as so-called Fermi particles make up the known “normal” matter in the universe together with protons and electrons, do not return to their original state during the course of one full 360° rotation, but instead only after an additional rotation. This “4π -periodicity of the wave function” of Fermi particles obviously contradicts all classical intuition! The ingenious instrument that made this possible, conceived and developed by Helmut Rauch together with his former doctoral student Wolfgang Treimer and pioneer of x-ray interferometry Ulrich Bonse (Dortmund), is the 3-plate interferometer made from a monolithic silicon perfect crystal, shown schematically in Fig. 1. The neutron, ostensibly indivisible (!), spreads along two paths as a matter or probability wave due to refraction at the atomic lattice planes of the first crystal plate in the interferometer. The two associated wave fields share a certain phase relationship due to the fact that the silicon atoms form an absolutely ideal crystal lattice. The easiest way to modify this phase relationship is through the introduction of a rotatable polycrystalline aluminium platelet into the beam path. The second crystal plate only serves to produce interference between the two beam paths at the location of the third plate, so that the neutron appears behind the interferometer, depending on the phase difference, either in the directly passing “O” beam or the refracted “H” beam again as a particle. It should not be difficult to imagine, considering the

Bonse (Dortmund), entwickelte Instrument, mit dem dies möglich war, ist das aus einem monolithischen Silizium-Perfektkristall gefertigte 3-Platten-Interferometer, das in Abb. 1 schematisch dargestellt ist. Durch Beugung an den atomaren Netzebenen der ersten Kristallplatte breitet sich das an sich unteilbare (!) Neutron im Interferometer als Materie- oder Wahrscheinlichkeitswelle entlang zweier Wege aus. Aufgrund der Tatsache, dass die Silizium-Atome ein absolut ideales Kristallgitter ohne Fehlstellen bilden, stehen die beiden zugehörigen Wellenfelder in einer bestimmten Phasenbeziehung zueinander, die sich beispielsweise durch Einführung eines drehbaren polykristallinen Aluminiumplättchens in den Strahlengang verändern lässt. Die zweite Kristallplatte dient nur dazu, die beiden Strahlwege am Ort der dritten Platte zur Interferenz zu bringen, sodass hinter dem Interferometer das Neutron je nach Phasendifferenz entweder im durchgehenden „O“-Strahl oder im gebeugten, dem sogenannten „H“-Strahl wieder als Teilchen auftaucht. Die ungeheure Empfindlichkeit dieses Instruments auf störende Einflüsse wie Erschütterungen, Temperaturschwankungen etc. sollte allein schon anhand des Größenvergleichs der Netzebenenabstände (1010 m) und der Abstände der Kristallplatten (mehreren Zentimeter) nachvollziehbar sein. Genau genommen ist ein derartiges Interferometer die makroskopische Realisierung des berühmten „Schrödinger-Katze“-Gedankenexperiments, bei dem sich bekanntlich eine (fiktive) Katze in einer Überlagerung der beiden möglichen Zustände „lebendig“ und „tot“ befindet. Hier ist es nun so, dass sich das Neutron offenbar zugleich an zwei verschiedenen Orten aufhält, in unserer klassischen Vorstellungswelt natürlich ein Ding der Unmöglichkeit. Jedes Neutron interferiert in diesem Experiment tatsächlich nur mit sich selbst, da sich gerade immer nur ein einziges Neutron innerhalb des Interferometers befindet, während das nachfolgende Neutron noch in den Uran-Atomkernen des Reaktors gebunden ist. Das Atominstitut betreibt seit nunmehr bereits mehr als drei Jahrzehnten am Institut Laue-Langevin

Abb. 2: Eine Sammlung von Perfektkristall-Neutroneninterferometern unterschiedlicher Größe und Geometrie Figure 2: A collection of perfect crystal neutron interferometers of different size and geometry

scale differences between the lattice planes (1010 m)and the spacing of the crystal plates (several centimetres), the incredible sensitivity of this instrument to interferences such as vibrations, temperature variations, etc. Such an interferometer is, strictly speaking, the macroscopic implementation of the famous Schrodinger’s Cat thought experiment, where, as is generally known, the (fictitious) cat is in a superposition of the two possible “alive” and “dead” states. The situation here is that the neutron is evidently in two different places at the same time, obviously an impossibility according to our classical understanding. Each neutron actually interferes only with itself, since only one neutron is inside of the interferometer at a time, while the next neutron is still bound in the uranium nuclei of the reactor. The Atominstitut has been operating the Collaborating Research Group (CRG) Instrument S18 for more than three decades at the Laue-Langevin Institute in Grenoble (ILL). The instrument was originally designed as a pure neutron interferometry measurement site, but has meanwhile been expanded to be the best device worldwide for ultra-small scattering experiments with neutrons (USANS). A part of the beam time is made available to

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in Grenoble (ILL) das „CRG“ (Collaborating Research Group) Instrument „S18“, das ursprünglich als ein reiner Neutronen-Interferometrie Messplatz konzipiert war, mittlerweile aber auch zum weltweit besten Gerät für Ultra-Kleinwinkelstreuexperimente mit Neutronen (USANS) erweitert wurde. Ein Teil der Strahlzeit wird dabei auswärtigen Forschern für entsprechend hochwertige und durch internationale Evaluierung ausgewählte Experimente zur Verfügung gestellt. Speziell für den Interferometrie-Modus, wohl die experimentell anspruchsvollste Untersuchungsmethoden der Neutronenforschung, ist aber die Unterstützung durch zumindest einen der von der TU abgestellten Experten erforderlich. Aufgrund dieser Komplexität verzichten wir hier auch darauf auf Details der Experimente einzugehen und beschränken uns auf die kurze Vorstellung von lediglich drei Experimenten neueren Datums, die unter der Federführung von Yuji Hasegawa durchgeführt wurden, der sich vor etwa 15 Jahren der Gruppe um Helmut Rauch angeschlossen hat. Kann die quantenmechanische Beschreibung der physikalischen Realität als komplett betrachtet werden? Dies ist die zentrale Fragestellung jener Publikation, die Albert Einstein zusammen mit seinen Kollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen im Jahre 1935 verfasst hat, und die bis heute wohl eine der am häufigsten zitierten wissenschaftlichen Arbeiten im Bereich Quantenphysik ist. Es wird darin die Frage behandelt, ob man einer physikalischen Größe, wie bei Einstein Ort und Impuls, einen Wert zuordnen kann, bevor eine Messung stattgefunden hat. Der „Realist“ Einstein war Zeit seines Lebens der festen Überzeugung, dass dem so sei, und somit entschiedener Gegner der sogenannten Kopenhagener Interpretation, der zufolge man aus der Quantenmechanik lediglich Wahrscheinlichkeitsaussagen erhält. Es bedurfte jedoch eines weiteren brillanten Geistes, bevor die Grundlagen für eine experimentelle Überprüfung geschaffen werden konnten: John Steward Bell. Dem nordirischen Physiker gelang es im Jahre 1964, mit seinen berühmten Bell Ungleichungen eine obere Schranke für die Mittelwerte von Messwerten und somit ein

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external researchers for experiments that are considered to be of high value and selected through international evaluations. Particularly for the interferometry mode, probably the most challenging method in neutron research, the support of at least one experienced expert, provided by the TU Wien, is required. It is due to this complexity that we will not describe the details of the experiments here and limit ourselves, for brevity’s sake, to the brief introduction of just three more recent experiments that have been conducted under the leadership of Yuji Hasegawa, who joined Helmut Rauch’s group about 15 years ago. Can Physical Reality as Described by Quantum Mechanics be Considered Complete? This is the central question of the publication that Albert Einstein drafted together with his colleagues Boris Podolsky and Nathanin 1935, and which is probably still today one of the most oft-cited scientific works in the field of quantum physics. The article addresses the question whether it is possible to associate a value with a physical parameter, in Einstein’s case position and momentum, before a measurement has taken place. A “realist”, Einstein was firmly convinced his entire life that this is indeed the case, and was therefore a determined opponent of the so-called Copenhagen interpretation, according to which quantum mechanics provides only statements of probability. However, another brilliant mind was required before the foundations for experimental verification could be laid: John Stewart Bell. With his famous Bell’s inequalities, the physicist from Northern Ireland succeeded in 1964 in defining an upper limit for the average values of measurements and thereby also defining a discrimination criterion regarding this question. Two terms are inseparably connected with Bell’s inequalities: Reality and locality. Reality, in this context, means that properties exist “objectively” – i.e., without measurements – and locality means that measurements taken at one location on a particle cannot have an effect on the respective other particle (at another location). If the result of joint measurements of two physical properties is below this limit, then a classical explanation is pos-

Abb. 3: Experimenteller Aufbau (schematisch) zum interferometrischen Nachweis der quantenmechanischen Verschränkung von Spin und Pfad von Neutronen. Figure 3: Experimental setup (schematic representation) for the interferometric verification of the entanglement of spin and path for neutrons in quantum mechanics.

Unterscheidungskriterium für diese Frage zu definieren. Zwei Begriffe sind untrennbar mit Bells Ungleichungen verbunden: Realität und Lokalität. Realität bedeutet in diesem Zusammenhang, dass Eigenschaften ‚objektiv‘ – also auch ohne Messungen – existieren, und Lokalität, dass Messungen, die an einem Ort an einem Teilchen vorgenommen werden, nicht das jeweils andere an einem unterschiedlichen Ort befindliche Teilchen beeinflussen können. Liegt nun das gemeinsame Ergebnis bestimmter Messungen zweier physikalischer Größen unterhalb dieser Schranke, kann es klassisch – lokal realistisch – erklärt werden. Oberhalb dieser Schranke werden diese realistischen Theorien ausgeschlossen, und sogenannte Quantenkorrelationen treten an ihre Stelle. Wenig später gab es dann die ersten Versuche an verschränkten Paaren von Photonen und das Messergebnis stimmte mit den Vorhersagen der Quantenmechanik überein, war also unverträglich mit der Annahme von Realität und Lokalität. Bei Neutronen ist die Situation insofern ein wenig anders, da hier unterschiedliche Freiheitsgrade ein und desselben Teilchens verschränkt sind, was aber formal äquivalent zur Verschränkung von Teilchenpaaren beschreiben wird. In einem am S18 in Grenoble durchgeführten Experiment gelang es Yuji Hasegawa und seiner Gruppe im Jahre 2003 erstmals, Verschränkung für Neutronen nachzuweisen. Dafür musste die Einteilchen-Wellenfunktion jedes einzelnen Neutrons in einem immer gleichen speziellen Zustand, einem sogenannten „maximal verschränkten Bell-Zustand“ präpariert werden. Dies gelang, indem der Spin der Neutronen im Interferometer mit Hilfe des in Abb. 3 schematisch dargestellten Aufbaus in einem Pfad parallel zur Flugrichtung der Neutronen und im anderen Pfad antiparallel ausgerichtet wurde. Die an-

sible (i.e., assuming reality and locality). If, however, the final result is above the limit, then these realistic theories are excluded and replaced by so-called quantum correlations. Shortly thereafter, the first tests with entangled pairs of photons were conducted, fully in agreement with the predictions of quantum mechanics, while incompatible with the concept of reality and locality. With neutrons, however, the situation is a little bit different. In this case, different particles are not entangled, but instead different degrees of freedom of one and the same particle, which however, is equivalent to the formalism that describes the entanglement of particle pairs. In an experiment performed at the S18 in Grenoble, Yuji Hasegawa and his group succeeded in verifying entanglement with neutrons for the first time in 2003. To accomplish this, the single-particle wave function of each individual neutron had to always be prepared in the same special state, the maximally entangled Bell state. This was accomplished by aligning the spin of the neutrons in the interferometer, using the setup that is displayed schematically in Fig. 3, parallel to the flight direction along one path and anti-parallel along another path. The subsequent measurements for certain analysis directions of spin and path yielded a value of 2.051 ± 0.019, which is clearly above the upper limit of 2, the

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schließenden Messungen für bestimmte Analyserichtungen von Spin und Pfad ergaben einen Zahlenwert von 2.051 ± 0.019, der eindeutig oberhalb der unter klassischen Annahmen geltenden oberen Schranke von 2 liegt und somit die Vorhersagen der Quantenmechanik bestätigt. Dieses bahnbrechende Ergebnis wurde nicht nur in Nature veröffentlicht, sondern sogar in der Frankfurter Allgemeinen Zeitung ausführlich beschrieben und

limit applicable according to classical assumptions, and therefore confirms the predictions of quantum mechanics. This ground-breaking experiment was not only published in Nature Physics, but was also described and commented upon in detail in the Frankfurter Allgemeine Zeitung. Generalised Uncertainty Principle

kommentiert. Verallgemeinerte Unschärfebeziehung Werner Heisenbergs Unschärferelation ist ohne Zweifel eine der fundamentalsten Aussagen der Quantenphysik, deren Grundaussage darin besteht, dass bestimmte Eigenschaften von Quantenteilchen, beispielsweise Ort und Impuls, nicht gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit bestimmt werden können. Diese ist aber keinesfalls eine Folge von Unzulänglichkeiten eines Messinstrumentes, sondern vielmehr im Konzept des Welle-Teilchen-Dualismus der Quantenmechanik begründet. Tatsächlich argumentierte Heisenberg in seiner ursprünglichen Arbeit von 1927, dass das zur Bestimmung der Position eines Teilchens (z.B. Elektron) zwangsläufig erforderliche Licht zu einer Störung des Impulses dieses Teilchens führt. Diese Störung ist umso größer, je kleiner die Wellenlänge und dementsprechend kleiner der Fehler der Ortsmessung ist. Unglücklicherweise werden diese beiden Darstellungen der Unschärferelation im physikalischen Alltag, aber auch in Lehrbüchern oft miteinander vermischt. Dem japanischen theoretischen Physiker Masanao Ozawa gelang es 2003, die beiden unterschiedliche Anteile von Unschärfe erstmals in einem einheitlichen Formalismus zusammenzufassen. Im Jahr 2012 konnten Hasegawa und sein Team in einem am 250 kW TRIGA Reaktor des Atominstituts durchgeführten Experiment mit polarisierten Neutronen diese unterschiedlichen Beiträge separat bestimmen und somit Ozawas Theorie bestätigen. In der experimentellen Umsetzung wurden dabei aber nicht Ort und Impuls untersucht, wie in Heisenbergs Arbeit vorgeschlagen, son-

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Werner Heisenberg’s uncertainty principle is without a doubt one of the most fundamental statements of quantum physics, stating that certain properties of quantum particles, for example position and momentum, cannot be determined simultaneously with arbitrary accuracy. This circumstance is in no way a consequence of the inadequacies of measurement instruments, but is rather based on the concept of the wave particle duality of quantum mechanics. Heisenberg argued in his original work from 1927, that the light necessarily required for the determination of the position of a particle (for example an electron) would disturb the momentum of the particle. The disturbance increases with shorter wavelength, yielding a smaller error in a subsequent position measurement. Unfortunately, these two representations of the uncertainty principle are confused not only in everyday physics, but often also in text books. The Japanese theoretical physicist Masanao Ozawa succeeded in 2003 in combining the two different components of uncertainty in a unified formalism for the first time. In 2012 Hasegawa and his team were able to determine these different contributions separately with an experiment on polarised neutrons performed at the 250 kW TRIGA reactor of the Institute of Atomic and Sub­atomic Physics, thereby confirming Ozawa’s theory. However, in the experimental implementation, position and momentum were not investigated as proposed in Heisenberg’s work, but instead the spin of neutrons. The issue here is nevertheless the same: the spins in the x direction and those in the y direction cannot be measured exactly at the same time, analogous to position and momentum. The results of this experiment were reported not only

dern die Spins der Neutronen. Die Spins in X-Richtung und jene in Y-Richtung können nämlich ebenfalls nicht gleichzeitig genau gemessen werden, völlig analog zu Ort und Impuls. Über die Resultate dieses Experiments wurde nicht nur in Nature Physics, sondern auch in zahlreichen populärwissenschaftlichen Medien berichtet. Die „Quanten-Grinsekatze“ (engl. „Quantum Cheshire Cat“) Spätestens seit Erwin Schrödinger haben Quantenphysiker wohl ein Faible für Katzen. Ganz nach dem Geschmack der Quantenphysiker ist auch die Grinsekatze aus dem Kinderbuch Alice im Wunderland von Lewis Carroll aus dem Jahr 1865. Nachdem die kleine Alice in einem Kaninchenbau einen Durchgang in eine surrealistische Welt findet, begegnet sie dort einer wunderlichen Katze: „Oho, ich habe oft eine Katze ohne Grinsen gesehen, aber ein Grinsen ohne Katze, so etwas Merkwürdiges habe ich in meinem Leben noch nicht gesehen.1“

Abb. 4: Schema des Experiments zur Demonstration der „Quanten-Grinsekatze“, bei dem sich das Neutron (die „Katze“) ausschließlich in einem Teilstrahl des Interferometers aufhält, während ihr Spin (das „Grinsen“) nur im anderen Pfad zu finden ist. Figure 4: Schema of the experiment for the demonstration of the “quantum grinning cat”, where the neutron (the “cat”) is localised exclusively in a partial beam of the interferometer, while its spin (the “grin”) can only be found on the other path.

in Nature Physics but also extensively in the popular science media. The Quantum Cheshire Cat Ever since Erwin Schrödinger, quantum physicists have had a soft spot for cats. The grinning cat from Lewis Carroll’s 1865 children’s book Alice in Wonderland is also quite to the taste of quantum physicists. After little Alice finds passage to a surreal world in a rabbit hole, she meets a cat that leaves her wondering: “Well! I’ve often seen a cat without a grin, but a grin without a cat! It’s the most curious thing I ever saw in my life!”

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Eine solche auf den ersten Blick absurd anmutende Trennung einer Eigenschaft von ihrem Objekt ist in quantenmechanischem Sinne tatsächlich möglich, wie kürzlich von Hasegawa und seinem Team erstmals experimentell demonstriert wurde. Dabei fungierten polarisierte Neutronen, die nur in einem Pfad des Interferometers anzutreffen waren, quasi als Katzen, während ihr Spin das Grinsen darstellte und nur im anderen Pfad zu finden war. Um die physikalische Eigenschaft Spin von seinem Träger – dem Neutron – zu separieren, bedarf es einer sogenannten „schwachen Messung“, bei der Information über das physikalische System extrahiert wird, ohne dass dieses zerstört wird. Dazu wurden die Spins der Neutronen so präpariert, dass sie in den beiden Teilstrahlen des Neutroneninterferometers S18 am ILL Grenoble in horizontal entgegengesetzte Richtungen zeigten, während ein aus Spinrotator und Analysator bestehendes ‚Spinfilter‘ nur für Neutronen einer der beiden Spinorientierungen durchlässig ist. Dass damit nur Teilchen aus einem der beiden Teilstrahlen den Detektor erreichen, konnte mit Hilfe eines 20%-igen Absorbers überprüft werden, der abwechselnd in einen der beiden Pfade platziert wurde. Nur in einem Fall sank die Neutronenzählrate um 20%, während sie andernfalls konstant blieb. Legte man andererseits aber an den Pfad, an dem sich die Neutronen eigentlich gar nicht aufhielten, ein zusätzliches Magnetfeld an, das den Spin etwas aus der ursprünglich präparierten Richtung auslenkte, so trat plötzlich Interferenz auf! Ein Magnetfeld im anderen Pfad hatte hingegen führte zu keinerlei Interferenzerscheinungen. Dieses erstaunliche, im Fachjournal Nature Communications veröffentlichte Experiment hat in mehreren nationalen und internationalen Tageszeitungen sowie in populärwissenschaftlichen Medien ziemliches Aufsehen erregt. Anmerkung/Note 1 L. Carroll, Alice’s Adventures In Wonderland (reprinted in The Annotated Alice), M. Gardner (ed.) p. 90–91, Penguin Books (1965).

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Such a separation of a property from its object, which at first seems absurd, is actually possible in a quantum mechanical sense, as Hasegawa and his team recently demonstrated for the first time in experiments. In this case, the polarised neutrons, which occupied only one path of the interferometer, acted somewhat as cats, while their spin represented the grin, and could only be found on the other path. In order to separate the spin, from its carrier – the neutron – a “weak measurement” is required, whereby information about the physical system is extracted without destroying it. To accomplish this, the spins of the neutrons were prepared in such a way that they pointed in horizontally opposing directions in the two partial beams of the neutron interferometer S18 at ILL Grenoble, while a “spin filter” consisting of a spin rotator and an analyser transmitted only the neutrons of one of the two spin directions (Fig. 4). The fact that only particles from one of the two partial beams reach the detector could be readily verified using a 20% absorber that was alternatingly introduced into one of the two paths. Only in one path did the neutron count drop by 20%, while the very same absorber placed in the other path the count remained constant. When, however, an additional magnetic field was applied to the path without the neutrons, realigning the spin somewhat from the originally prepared direction, interference was suddenly observed! A magnetic field applied to the other path, on the other hand, had no effect whatsoever and did not give rise to any interference effects. This remarkable experiment, published in the professional journal Nature Communications, caused a stir in many national and international daily newspapers, as well as in the popular science media.

Hartmut Abele et al.

SPEZIALFORSCHUNGS­B EREICHE SPECIAL RESEARCH AREAS Hartmut Abele Das DFG & FWF Schwerpunktprogramm „Präzisionsexperimente zur Teilchen- und Astrophysik mit kalten und ultrakalten Neutronen“

Hartmut Abele The DFG & FWF Priority Programme “Precision Experiments on Particle and Astrophysics with Cold and Ultracold Neutrons”

Zusammen mit acht deutschen Forschungsinstitutionen hat das Atominstitut ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem österreichischen Fonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung (FWF) unterstütztes Schwerpunktprogramm mit dem Ziel initiiert, mithilfe von Experimenten mit langsamen und ultrakalten Neutronen eine Reihe fundamentaler Fragen in der modernen Teilchen- und Astrophysik zu beantworten. Dazu gehören das Verständnis der Naturkräfte und der damit verbundenen Symmetrien sowie Untersuchungen zur Gravitationskraft bei sehr kleinen Abständen. Präzisionsexperimente mit kalten und ultrakalten Neutronen dringen in bisher unerreichte Auflösungsbereiche und damit zu physikalischen Phänomenen jenseits der bisherigen Standardmodelle vor. Neue technologische Entwicklungen ermöglichen eine Messgenauigkeit, welche die bisher maximal erreichbare um ein bis zwei Größenordnungen übertrifft. Der zugrunde liegende experimentelle Ansatz ist entweder komplementär zu Experimenten an Hochenergiebeschleunigern, wie dem LHC, oder sogar einzigartig. Das Forschungsprogramm ist auf vier Bereiche fokussiert, die in direktem Zusammenhang mit astro- und teilchenphysikalischen Fragestellungen stehen: i) Verletzung der CP-Symmetrie und Teilchenphysik im frühen Universum, ii) Struktur und Natur der schwachen Wechselwirkung und mögliche Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik; iii) Beziehung zwischen Gravitation und Quantenphysik; iv) Ladungsquantisierung und die elektrische Neutralität des Neutrons.

Together with eight German research institutions, theAtominstitut initiated a Priority Programme supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (German Research Foundation, DFG) and the Austrian Science Fund (FWF). The aim is to address basic open questions in particle and astrophysics. These include the understanding of natural forces and the associated symmetries as well as studies on gravitation at very small distances. The neutron, a very specific tool, allows the search for new physics becoming manifest itself as small deviations from expectations. New technological developments make possible a measurement accuracy that exceeds that which was previously attainable by one to two orders of magnitude. The underlying experimental approach is either complementary to experiments in high-energy accelerators, such as the LHC, or even unique. The research programme is focussed on four areas directly related to topics in astrophysics and particle physics: i) CP-symmetry violation and particle physics in the early universe, ii) the structure and nature of weak interaction and possible extensions of the standard model of particle physics; iii) relationship between gravitation and quantum physics; iv) charge quantisation and the electrical neutrality of the neutron. The Atominstitut is involved in a total of five projects in areas ii)-iv). Two of the projects search in neutron beta decay in known symmetries for any previously unrecognised symmetry violations that cause additional, previously unknown contributions to weak interaction. Three

Spezialforschungs­bereiche  | 81

An den Gebieten ii)-iv) ist das Atominstitut mit insgesamt fünf Projekten beteiligt. Zwei der Projekte suchen im Neutron-Betazerfall in bekannten Symmetrien nach eventuell bisher nicht berücksichtigten Symmetrieverletzungen, die zusätzliche, bisher nicht bekannte Beiträge zur Schwachen Wechselwirkung hervorrufen. Drei weitere Projekte führen Untersuchungen mit hochpräzisen Experimenten zur Gravitation durch. Der Test von Newtons Gravitationsgesetz bei sehr kleinen Abständen erlaubt es, nach neuen Extradimensionen im Mikrometerbereich zu suchen und hypothetische neue Eichbosonen in ihnen aufzuspüren. Karsten Held, Gerhard Kahl, Florian Aigner Das „Vienna Computational Materials Laboratory” (VICOM) Mit Versuch und Irrtum alleine kommt man oft nicht weit. Sucht man nach neuen Werkstoffen, zum Beispiel nach Materialien, die ganz besondere elektromagnetische oder thermische Eigenschaften haben, muss man die Materialphysik auf Quanten-Ebene verstehen. Das komplizierte Zusammenspiel der Atome eines Festkörpers und ganz besonders das Verhalten seiner Elektronen legen seine Eigenschaften fest. Kompetenzcluster mit Weltruhm. Berechnen kann man solche Materialeigenschaften nur mit großem Aufwand, und oft sind für solche Berechnungen besonders leistungsfähige Computercluster wie der Vienna Scientific Cluster mit tausenden Prozessorkernen notwendig. In diesem Bereich der Computational Materials Science ist Wien seit längerem ein international führender Forschungsstandort mit vielen international angesehenen Forschungsgruppen. Computerprogramme wie Wien2k und VASP sind ein Exporthit. Im Spezialforschungsbereich Vienna Computational Materials Laboratory entwickeln diese Forschungsgruppen der TU Wien und Universität Wien neue verbesserte Verfahren zur Berechnung von Materialien– von Festplatten über das Aushärten von Stahl bis zur weichen Materie. Neue Methoden und Materialien. Ein zentrales Ziel des SFB ViCoM ist dabei, die „korrelierte“ Bewegung der

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other projects are performing studies on gravitation with high-precision experiments. The test of Newton’s law of gravity at very small distances allows researchers to search for new extra dimensions in the micrometre range and to track down hypothetical new gauge bosons within them. Karsten Held, Gerhard Kahl, Florian Aigner The “Vienna Computational Materials Laboratory“ (VICOM) Trial and error alone will take you only so far. When searching for new materials, such as those that have very specific electromagnetic or thermal properties, it is necessary to have an understanding of material physics on the quantum level. The complicated interplay of the atoms in a solid and, in particular, the behaviour of its electrons define its properties. Competence Cluster of World Renown. These material properties can only be calculated with a great deal of effort; powerful computer clusters, such as the Vienna Scientific Cluster with its thousands of processor cores, are necessary. Vienna has long been an internationally leading research location with many internationally recognised research groups in the area of computational materials science; software programmes such as Wien2k and VASP are export hits. In the Special Research Area Vienna Computational Materials Laboratory (SFB ViCoM), research groups from the TU Wien and the University of Vienna develop new, improved methods for the calculation of materials, and apply these to everything from hard drives to the hardening of steel to soft matter. New methods and materials. A central goal of the SFB ViCoM is to better describe the correlated movement of electrons. Many exciting effects, such as high-temperature superconductivity, can be understood only by taking such quantum correlations into consideration. To better describe these correlations, new computer methods that go beyond density functional theory are developed. The second central goal of SFB ViCoM is applications, and these range from technologically important materials for

An den Gebieten ii)-iv) ist das Atominstitut mit insgesamt fünf Projekten beteiligt. Zwei der Projekte suchen im Neutron-Betazerfall in bekannten Symmetrien nach eventuell bisher nicht berücksichtigten Symmetrieverletzungen, die zusätzliche, bisher nicht bekannte Beiträge zur Schwachen Wechselwirkung hervorrufen. Drei weitere Projekte führen Untersuchungen mit hochpräzisen Experimenten zur Gravitation durch. Der Test von Newtons Gravitationsgesetz bei sehr kleinen Abständen erlaubt es, nach neuen Extradimensionen im Mikrometerbereich zu suchen und hypothetische neue Eichbosonen in ihnen aufzuspüren. Karsten Held, Gerhard Kahl, Florian Aigner Das „Vienna Computational Materials Laboratory” (VICOM) Mit Versuch und Irrtum alleine kommt man oft nicht weit. Sucht man nach neuen Werkstoffen, zum Beispiel nach Materialien, die ganz besondere elektromagnetische oder thermische Eigenschaften haben, muss man die Materialphysik auf Quanten-Ebene verstehen. Das komplizierte Zusammenspiel der Atome eines Festkörpers und ganz besonders das Verhalten seiner Elektronen legen seine Eigenschaften fest. Kompetenzcluster mit Weltruhm. Berechnen kann man solche Materialeigenschaften nur mit großem Aufwand, und oft sind für solche Berechnungen besonders leistungsfähige Computercluster wie der Vienna Scientific Cluster mit tausenden Prozessorkernen notwendig. In diesem Bereich der Computational Materials Science ist Wien seit längerem ein international führender Forschungsstandort mit vielen international angesehenen Forschungsgruppen. Computerprogramme wie Wien2k und VASP sind ein Exporthit. Im Spezialforschungsbereich Vienna Computational Materials Laboratory entwickeln diese Forschungsgruppen der TU Wien und Universität Wien neue verbesserte Verfahren zur Berechnung von Materialien– von Festplatten über das Aushärten von Stahl bis zur weichen Materie. Neue Methoden und Materialien. Ein zentrales Ziel des SFB ViCoM ist dabei, die „korrelierte“ Bewegung der

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other projects are performing studies on gravitation with high-precision experiments. The test of Newton’s law of gravity at very small distances allows researchers to search for new extra dimensions in the micrometre range and to track down hypothetical new gauge bosons within them. Karsten Held, Gerhard Kahl, Florian Aigner The “Vienna Computational Materials Laboratory“ (VICOM) Trial and error alone will take you only so far. When searching for new materials, such as those that have very specific electromagnetic or thermal properties, it is necessary to have an understanding of material physics on the quantum level. The complicated interplay of the atoms in a solid and, in particular, the behaviour of its electrons define its properties. Competence Cluster of World Renown. These material properties can only be calculated with a great deal of effort; powerful computer clusters, such as the Vienna Scientific Cluster with its thousands of processor cores, are necessary. Vienna has long been an internationally leading research location with many internationally recognised research groups in the area of computational materials science; software programmes such as Wien2k and VASP are export hits. In the Special Research Area Vienna Computational Materials Laboratory (SFB ViCoM), research groups from the TU Wien and the University of Vienna develop new, improved methods for the calculation of materials, and apply these to everything from hard drives to the hardening of steel to soft matter. New methods and materials. A central goal of the SFB ViCoM is to better describe the correlated movement of electrons. Many exciting effects, such as high-temperature superconductivity, can be understood only by taking such quantum correlations into consideration. To better describe these correlations, new computer methods that go beyond density functional theory are developed. The second central goal of SFB ViCoM is applications, and these range from technologically important materials for

Elektronen mit neuen Methoden besser zu beschreiben. Viele spannende Effekte wie etwa die Hochtemperatur-Supraleitung sind nur mit Berücksichtigung solcher Quanten-Korrelationen zu verstehen. Zur besseren Beschreibung dieser Korrelationen werden neue Computermethoden über Dichtefunktionaltheorie hinaus entwickelt. Das zweite zentrale Ziel des SFB ViCoM ist die Anwendung, und hier ist der SFB sehr breit aufgestellt. Die Materialrechnungen reichen von technologisch wichtigen Materialien für Mikroelektronik und Solarzellen, über Materialien für magnetische und magneto-optische Speicher bis zu Polymeren und der Simulation chemischer Prozesse. Multiskalenverfahren von der Elektronenbewegung auf atomaren Lägen- und Zeitskalen (Nanometer und Femtosekunden) bis zu den makroskopischen Skalen (beispielsweise Zentimeter und Sekunden) spielen hierbei eine wichtige Rolle. Im Folgenden werden zwei Forschungs-Highlights kurz vorgestellt. Highlight 1: Neues Material verspricht bessere Solarzellen. Geschichtete Sauerstoff-Heterostrukturen (Abb. 1) stellt man Atomschicht für Atomschicht her, um ganz bestimmte Materialeigenschaften zu erzielen. Im SFB ViCoM konnte gezeigt werden, dass sich daraus auch eine ganz neue, effizientere Klasse von ultradünnen Solarzellen bauen lässt. In dem neuen Material herrscht auf mikroskopischen Größenordnungen ein starkes elektrisches Feld. Dadurch können vom Sonnenlicht durch den photoelektrischen Effekt erzeugte Elektronen und Löcher se-

Abb. 1: Das Sonnenlicht erzeugt Elektronen (-) und Löcher (+), die durch das starke elektrische Feld der Materialklasse getrennt und als Strom gewonnen werde. Rechts: Kristallstruktur der untersuchten Heterostruktur aus Strontium-Titanoxid und Lanthan-Vanadiumoxid. Figure 1: Sunlight produces electrons (-) and holes (+) that are separated by the strong electric field of oxide heterostructures and used to produce electric power. Right: Crystal structure of the investigated strontium-titanium oxide/lanthanum-vanadium oxide heterostructure.

microelectronics and solar cells, to materials for magnetic and magneto-optical storage, to polymers and the simulation of chemical processes. Multi-scale processes – from electron movement on atomic scales of length and time (nanometres and femtoseconds) to macroscopic scales (e.g., centimetres and seconds) – play an important role here. In the following, two research highlights are presented briefly as examples of the diversity of material calculations performed in SFB ViCoM. Highlight 1: New material promises better solar cells. Layered oxide heterostructures (Fig. 1) are produced atomic layer by atomic layer in order to achieve very specific material properties. The SFB ViCoM was able to show that they can also be used to construct an entirely new, more efficient class of ultra-thin solar cells. In this new material, there is a strong electrical field that separates the electrons and holes created by the sunlight through the photoelectric effect. Another advantage is that using different material layers allows one to op-

Spezialforschungs­bereiche  | 83

Abb. 2: Geladene Polymer-Sterne bilden veränderliche „patches“ auf der Oberfläche von Kolloiden mit entgegengesetzter Ladung. Diese Teilchen können sich je nach Ladung der „patches“ (Zp) und der Wand (Zw) in einer Vielzahl von Strukturen anordnen. Figure 2: Charged polymer stars form variable patches on the surface of colloids with opposite charge. Depending on the charge of these patches (Zp) and the wall (Zw), these particles can organise into a variety of structures.

pariert und für die Stromerzeugung gewonnen werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass man mit verschiedenen Materialien kombinieren und so die unterschiedliche Farben des Sonnenlichts optimal in Strom umwandeln kann. Highlight 2: Neue Materialien durch Selbstorganisation. Kolloide (wie etwa Polymere) können sich eigenständig in komplexen, geordneten Überstrukturen anordnen. Diese Fähigkeit zur Selbstorganisation, also ihre innere Architektur, kann durch die Wahl des Lösungsmittels oder durch magnetische oder elektrische Felder gezielt beeinflusst werden. Im SFB ViCoM versucht man, derartige Teilchen am Computer zu konzipieren und ihre Selbstorganisation vorherzusagen. Bei unserem konkreten Beispiel in Abb. 2 wurden negativ geladene Kolloidteilchen an beiden Polen mit positiv geladenen Sternpolymeren dekoriert. Die komplexe, orientierungsabhängige Wechselwirkung der Teilchen untereinander und die Ankopplung der geladenen Oberflächenregionen an ein äußeres Feld führen zu einer großen Vielfalt an komplexen Strukturen.

timally convert all the colours of sunlight into electric power. Highlight 2: New materials through self-organisation. Colloids (such as polymers) can independently organize themselves into complex, ordered superstructures. This ability to self-organise, i.e., their inner architecture, can be specifically influenced by the choice of solvent or by magnetic and electrical fields. In the SFB ViCoM, the self-organisation of such particles is designed and predicted on the computer. In the specific example shown in Fig. 2, negatively charged colloid particles were decorated on both poles with positively charged star polymers (inverse patchy particles). The complex, orientation-dependent interaction between the particle and the coupling of the charged surface regions to an external field lead to a wide range of complex structures.

Gerhard Kahl The Science Node “Danube Center for Atomistic Modelling” (DaCAM)

Gerhard Kahl Der Wissenschaftsknoten „Danube Center for Atomistic Modelling“ (DaCAM) Atomistische und molekulare Computersimulationen haben sich neben der Theorie und dem Experiment als ein unverzichtbares drittes Standbein der modernen Materialforschung etabliert. Das im Jahre 2012 eingerichtete Danube Center for Atomistic Modelling (DaCAM) stellt einen von mittlerweile 18 Knoten im Europäischen Netzwerk CECAM (Centre Eutropéen de Calcul Atomique et Moléculaire) dar, das sich der Förderung und Verbrei-

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In addition to theory and experimentation, atomistic and molecular computer simulations have established themselves as an essential third pillar of modern materials research. The Danube Center for Atomistic Modelling (DaCAM), established in 2012, now represents 18 nodes in the European network CECAM (Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire), which is committed to the support and dissemination of highly developed simulation methods in academic and industrial research as well as in education.

Abb. 2: Geladene Polymer-Sterne bilden veränderliche „patches“ auf der Oberfläche von Kolloiden mit entgegengesetzter Ladung. Diese Teilchen können sich je nach Ladung der „patches“ (Zp) und der Wand (Zw) in einer Vielzahl von Strukturen anordnen. Figure 2: Charged polymer stars form variable patches on the surface of colloids with opposite charge. Depending on the charge of these patches (Zp) and the wall (Zw), these particles can organise into a variety of structures.

pariert und für die Stromerzeugung gewonnen werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass man mit verschiedenen Materialien kombinieren und so die unterschiedliche Farben des Sonnenlichts optimal in Strom umwandeln kann. Highlight 2: Neue Materialien durch Selbstorganisation. Kolloide (wie etwa Polymere) können sich eigenständig in komplexen, geordneten Überstrukturen anordnen. Diese Fähigkeit zur Selbstorganisation, also ihre innere Architektur, kann durch die Wahl des Lösungsmittels oder durch magnetische oder elektrische Felder gezielt beeinflusst werden. Im SFB ViCoM versucht man, derartige Teilchen am Computer zu konzipieren und ihre Selbstorganisation vorherzusagen. Bei unserem konkreten Beispiel in Abb. 2 wurden negativ geladene Kolloidteilchen an beiden Polen mit positiv geladenen Sternpolymeren dekoriert. Die komplexe, orientierungsabhängige Wechselwirkung der Teilchen untereinander und die Ankopplung der geladenen Oberflächenregionen an ein äußeres Feld führen zu einer großen Vielfalt an komplexen Strukturen.

timally convert all the colours of sunlight into electric power. Highlight 2: New materials through self-organisation. Colloids (such as polymers) can independently organize themselves into complex, ordered superstructures. This ability to self-organise, i.e., their inner architecture, can be specifically influenced by the choice of solvent or by magnetic and electrical fields. In the SFB ViCoM, the self-organisation of such particles is designed and predicted on the computer. In the specific example shown in Fig. 2, negatively charged colloid particles were decorated on both poles with positively charged star polymers (inverse patchy particles). The complex, orientation-dependent interaction between the particle and the coupling of the charged surface regions to an external field lead to a wide range of complex structures.

Gerhard Kahl The Science Node “Danube Center for Atomistic Modelling” (DaCAM)

Gerhard Kahl Der Wissenschaftsknoten „Danube Center for Atomistic Modelling“ (DaCAM) Atomistische und molekulare Computersimulationen haben sich neben der Theorie und dem Experiment als ein unverzichtbares drittes Standbein der modernen Materialforschung etabliert. Das im Jahre 2012 eingerichtete Danube Center for Atomistic Modelling (DaCAM) stellt einen von mittlerweile 18 Knoten im Europäischen Netzwerk CECAM (Centre Eutropéen de Calcul Atomique et Moléculaire) dar, das sich der Förderung und Verbrei-

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In addition to theory and experimentation, atomistic and molecular computer simulations have established themselves as an essential third pillar of modern materials research. The Danube Center for Atomistic Modelling (DaCAM), established in 2012, now represents 18 nodes in the European network CECAM (Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire), which is committed to the support and dissemination of highly developed simulation methods in academic and industrial research as well as in education.

tung von hochentwickelten Simulationsmethoden in der akademischen und industriellen Forschung sowie in der Ausbildung widmet. Wien und die computerunterstützte Materialforschung Bereits in den 1960er Jahren begann die Etablierung des Wissenschaftsstandortes Wien als eines der weltweit führenden Zentren in der computerunterstützten Materialforschung (Computational Materials Science). An dieser für die damalige Zeit revolutionären Entwicklung waren Wissenschaftler der TU Wien maßgeblich beteiligt. Die wissenschaftlichen Aktivitäten der ersten Dekaden waren ausschließlich der Entwicklung und Anwendung von sogenannten Ab-initio-Methoden zur Berechnung der Elektronenstruktur von einem breiten Spektrum an Materialien gewidmet. In diesen Pionierjahren wurden auch die Grundsteine für die ersten Versionen der Programmpakete VASP und Wien2k gelegt, die mittlerweile tausendfach in der akademischen und in der industriellen Forschung mit großem Erfolg verwendet werden. In den letzten zwei Dekaden wurden diese wissenschaftlichen Aktivitäten durch neue, computerunterstützte Forschungstätigkeiten im Bereich der sogenannten Weichen Materie (TU Wien und Universität Wien) und in den Biowissenschaften (Universität für Bodenkultur) ergänzt. Der über die Jahrzehnte enorm gestiegene Bedarf an Rechnerkapazität kann durch die Installation eines Hochleistungsrechners (Vienna Scientific Cluster – VSC) weitaus besser abgedeckt werden. Netzwerkbildung im Raum Wien und internationale Sichtbarkeit Bereits in den 1990er Jahren haben die Proponentinnen und Proponenten der computerunterstützen Materialforschung im Wissenschaftsraum Wien begonnen, die wissenschaftliche Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen zu intensivieren und zu konzertieren. Dies gelang un-

Vienna and Computational Materials Science The establishment of Vienna as one of the world’s leading centres of computational materials science began as early as the 1960s. Scientists at the TU Wien played a key role in what was at the time a revolutionary development (and which had to manage with the very modest computer capabilities then available). Scientific activities in the early decades were dedicated exclusively to the development and use of ab initio methods for the calculation of the electron structure of a wide range of materials. During these pioneering years, the foundations were also laid for the first versions of the VASP and Wien2k programme packages, which are now being used thousands of times over in academic and industrial research with great success. In the last two decades, scientific activities were expanded into the field of atomic matter with new, computational research activities in the field of soft matter (TU Wien and the University of Vienna) and in the life sciences (University of Natural Resources and Life Sciences). The enormous increase in the demand for computer capacity over the decades is now much better covered, by the installation of a high-performance computer (Vienna Scientific Cluster – VSC), which is now in its third expansion phase. Networking in the Vienna region and international visibility As early as the 1990s, the proponents of computational materials science in the Vienna scientific community had begun to intensify and concentrate scientific collaboration among the work groups. This was achieved through the formation of common structures, among other ways. The Center for Computational Materials Science (CMS) and the Special Research Area ViCoM, for example, belong to these networks, which are discussed as well in this Section. The bundling of scientific activities was a key contributing factor in making Vienna what it is now:

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ter anderem über die Bildung gemeinsamer Strukturen, zu denen etwa das Center for Computational Materials Science (CMS) oder den Spezialforschungsbereich ViCoM gehören; über diese Netzwerke wird an anderer Stelle berichtet. Die Bündelung der wissenschaftlichen Aktivitäten trug wesentlich dazu bei, dass Wien nunmehr zu einem der weltweit führenden Zentren der computerunterstützen Materialwissenschaften zählt. Ein neuer CECAM Knoten entsteht in Wien CECAM ist ein Netzwerk, das 1969 in Paris gegründet wurde und sich der Förderung und Verbreitung von hochentwickelten atomaren und molekularen Simulationsmethoden in akademischer und industrieller Forschung sowie in der Ausbildung widmet. Das dabei abgedeckte wissenschaftliche Spektrum ist sehr breit und reicht von Materialwissenschaften über die Biologie bis hin zur medizinischen Chemie. Mit der Neustrukturierung des CECAM vor etwa sieben Jahren wurde die Möglichkeit geschaffen, neben der Zentrale in Lausanne auch dezentrale, nationale Knoten an europäischen wissenschaftlichen Institutionen einzurichten. An all diesen Knoten finden jährlich etwa 70 wissenschaftliche Veranstaltungen (Workshops, Tutorien, und „Schulen“ zu speziellen Forschungsthemen) statt, die sowohl dem wissenschaftlichen Austausch als auch der Ausbildung junger Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen gewidmet sind. Um die im Raum Wien vorhandene Expertise im Bereich der computerunterstützen Materialwissenschaften zu bündeln und diese im Rahmen von wissenschaftlichen Veranstaltungen besser verbreiten zu können, haben Wiener Forschergruppen die Initiative zur Schaffung eines Wiener CECAM – Knotens ergriffen. Mit finanzieller Unterstützung der TU Wien, der Universität Wien, der Universität für Bodenkultur und des CMS gelang es tatsächlich, diesen Knoten, das Danube Center for Atomistic Modelling (DaCAM), einzurichten; er wurde im September 2012 im Rahmen eines Festaktes eröffnet. Durch diesen Knoten können die wissenschaftlichen Aktivitäten von Wiener Forschungsgruppen im Bereich

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one of the world’s leading centres for computational materials science. A new CECAM Node is formed in Vienna CECAM is a network founded in Paris in 1969 that is committed to the support and dissemination of highly developed atomic and molecular simulation methods in academic and industrial research as well as in education. The scientific spectrum thereby covered is very broad and ranges from materials science to biology to medical chemistry. With the restructuring of CECAM around seven years ago, the possibility to set up decentralised national nodes at European scientific institutions, in addition to the headquarters in Lausanne, was established. Between all of these nodes, approximately 70 scientific events (workshops, tutorials, and “schools” on special research topics) are held annually. The events are dedicated to scientific exchange and the training of young scientists. To bundle the expertise that exists in the Vienna region in the area of computational materials science and to better disseminate it through scientific events, Vienna research groups took the initiative to establish a Vienna CECAM node. With financial support from the TU Wien, the University of Vienna, the University of Natural Resources and Life Sciences, and the CMS, they successfully established the Danube Center for Atomistic Modelling (DaCAM), opened in September 2012 with an official ceremony. Through this node, the scientific activities of Vienna research groups in the area of atomistic and molecular simulations can be coordinated and strengthened, contributing to the improved international visibility of Vienna as a research location. Furthermore, the scientific events held by DaCAM facilitate a direct transfer of existing expertise, which represents an important contribution to the training of future scientists. Lastly, an objective of the Vienna location is to foster contacts with related work groups in Central and Eastern European countries. Since opening, five workshops on subject areas ranging from soft matter and biosystems as well as two

der atomistischen und molekularen Simulationen akkordiert und somit gestärkt werden, was zu einer verbesserten internationalen Sichtbarkeit des Forschungsstandortes Wien beiträgt. Darüber hinaus ermöglichen die wissenschaftlichen Veranstaltungen des DaCAM eine direkte Weitergabe der vorhandenen Expertise, was einen wichtigen Beitrag im Rahmen der Ausbildung zukünftiger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler darstellt. Schließlich sollen über den Wiener Standort gezielt Kontakte mit verwandten Arbeitsgruppen in den zentralund osteuropäischen Ländern gefördert werden. Seit der Eröffnung wurden fünf Workshops vom Wiener DaCAM-Knoten organisiert. Die rege internationale Beteiligung an diesen Aktivitäten hat einmal mehr gezeigt, dass Wien einen aus wissenschaftlicher Sicht äußerst attraktiven Standort darstellt. Peter Mohn Das „Center for Computational Materials Science” (CMS) Als gemeinsam von der TU Wien und der Universität Wien 1993 gegründeter Verein ist das Center for Computational Materials Science (CMS) eine unverzichtbare tragende Säule auf dem Gebiet der Materialwissenschaften der Fakultät für Physik. Mit der Ostöffnung Europas und mit dem Beitritt Österreichs zur EU kam es zu einer Erweiterung und Neuordnung der europäischen Wissenschaftslandschaft. Der Eiserne Vorhang, der ja nur 60km östlich von Wien verlief, war gefallen und viele neue, aber auch alte Kontakte, die seit dem Ende des Zweiten Weltkrieges auf Eis lagen, wurden belebt. Es war ein besonderes Anliegen des damaligen Wissenschaftsministers, Erhard Busek, (19911994), diese neuen Chancen wahrzunehmen, und so kam es zur Gründung der Zentraleuropäischen Initiative. Die Central European Initiative, kurz CEI (in deutscher Amtssprache Zentraleuropäische Initiative), ist eine informelle Kooperation der Staaten Mitteleuropas auf den Gebieten von Kultur, Technik und Naturwissenschaften mit Sitz in Triest. Der Vorsitz wechselt jährlich unter den Mitglied-

schools on methods for calculating electron structure and determining phase diagrams have been organised by the Vienna DaCAM node. The strong international participation in these activities once again showed that, from a scientific perspective, Vienna is an extremely attractive location. Peter Mohn The “Center for Computational Materials Science” (CMS) The Center for Computational Materials Science (CMS), an entity established jointly by the TU Wien and the University of Vienna, is an indispensable supporting pillar in the field of Materials Science of the Faculty of Physics. The opening of Eastern Europe and Austria’s entrance to the EU resulted in an expansion and restructuring of the European science landscape. The Iron Curtain, which passed just 60 km east of Vienna, had fallen and many new contacts were formed and old ones that had been on ice since the end of the Second World War were revived. It was a special concern of the Minister of Science at the time, Erhard Busek, (1991-1994), to seize these new opportunities, a focus that led to the establishment of the Central European Initiative. The Central European Initiative, or CEI, is an informal collaboration between the countries of Central Europe in the areas of culture, technology, and science, with its headquarters located in Trieste. The presidency rotates annually between the member states. It was founded in November 1989, on Austria’s initiative, by the five countries of the Pentagonale, as the four foreign ministers of the so-called “Visegrád” group wanted to start a more extensive cooperation. The first members were Italy, Yugoslavia, Austria, Hungary, and Czechoslovakia, with Poland joining somewhat later. An on-going problem proved to be the often hesitant financing by the individual governments. The idea was to establish and network Centres of Excellence in each member country. This was the impetus behind the establishment of the Center for Computational Materials Science (CMS) by scientists at the TU Wien

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der atomistischen und molekularen Simulationen akkordiert und somit gestärkt werden, was zu einer verbesserten internationalen Sichtbarkeit des Forschungsstandortes Wien beiträgt. Darüber hinaus ermöglichen die wissenschaftlichen Veranstaltungen des DaCAM eine direkte Weitergabe der vorhandenen Expertise, was einen wichtigen Beitrag im Rahmen der Ausbildung zukünftiger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler darstellt. Schließlich sollen über den Wiener Standort gezielt Kontakte mit verwandten Arbeitsgruppen in den zentralund osteuropäischen Ländern gefördert werden. Seit der Eröffnung wurden fünf Workshops vom Wiener DaCAM-Knoten organisiert. Die rege internationale Beteiligung an diesen Aktivitäten hat einmal mehr gezeigt, dass Wien einen aus wissenschaftlicher Sicht äußerst attraktiven Standort darstellt. Peter Mohn Das „Center for Computational Materials Science” (CMS) Als gemeinsam von der TU Wien und der Universität Wien 1993 gegründeter Verein ist das Center for Computational Materials Science (CMS) eine unverzichtbare tragende Säule auf dem Gebiet der Materialwissenschaften der Fakultät für Physik. Mit der Ostöffnung Europas und mit dem Beitritt Österreichs zur EU kam es zu einer Erweiterung und Neuordnung der europäischen Wissenschaftslandschaft. Der Eiserne Vorhang, der ja nur 60km östlich von Wien verlief, war gefallen und viele neue, aber auch alte Kontakte, die seit dem Ende des Zweiten Weltkrieges auf Eis lagen, wurden belebt. Es war ein besonderes Anliegen des damaligen Wissenschaftsministers, Erhard Busek, (19911994), diese neuen Chancen wahrzunehmen, und so kam es zur Gründung der Zentraleuropäischen Initiative. Die Central European Initiative, kurz CEI (in deutscher Amtssprache Zentraleuropäische Initiative), ist eine informelle Kooperation der Staaten Mitteleuropas auf den Gebieten von Kultur, Technik und Naturwissenschaften mit Sitz in Triest. Der Vorsitz wechselt jährlich unter den Mitglied-

schools on methods for calculating electron structure and determining phase diagrams have been organised by the Vienna DaCAM node. The strong international participation in these activities once again showed that, from a scientific perspective, Vienna is an extremely attractive location. Peter Mohn The “Center for Computational Materials Science” (CMS) The Center for Computational Materials Science (CMS), an entity established jointly by the TU Wien and the University of Vienna, is an indispensable supporting pillar in the field of Materials Science of the Faculty of Physics. The opening of Eastern Europe and Austria’s entrance to the EU resulted in an expansion and restructuring of the European science landscape. The Iron Curtain, which passed just 60 km east of Vienna, had fallen and many new contacts were formed and old ones that had been on ice since the end of the Second World War were revived. It was a special concern of the Minister of Science at the time, Erhard Busek, (1991-1994), to seize these new opportunities, a focus that led to the establishment of the Central European Initiative. The Central European Initiative, or CEI, is an informal collaboration between the countries of Central Europe in the areas of culture, technology, and science, with its headquarters located in Trieste. The presidency rotates annually between the member states. It was founded in November 1989, on Austria’s initiative, by the five countries of the Pentagonale, as the four foreign ministers of the so-called “Visegrád” group wanted to start a more extensive cooperation. The first members were Italy, Yugoslavia, Austria, Hungary, and Czechoslovakia, with Poland joining somewhat later. An on-going problem proved to be the often hesitant financing by the individual governments. The idea was to establish and network Centres of Excellence in each member country. This was the impetus behind the establishment of the Center for Computational Materials Science (CMS) by scientists at the TU Wien

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staaten. Sie wurde im November 1989 auf Anregung Österreichs von den zunächst fünf Staaten der Pentagonale gegründet, als die vier Außenminister der sogenannten Visegrád-Gruppe eine weitergehende Zusammenarbeit starten wollten. Die ersten Mitglieder waren Italien, Jugoslawien, Österreich, Ungarn und Tschechoslowakei, etwas später auch Polen. Ein Dauerproblem war die oft stockende Finanzierung durch die einzelnen Regierungen. Die Idee war es, in den einzelnen Ländern Centers of Excellence zu gründen und diese zu vernetzen. Dies war der Anstoß zur Gründung des Center for Computational Materials Science (CMS) durch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TU Wien und der Universität Wien. Wien war auch damals schon eines der weltweit führenden Zentren für die Entwicklung und Anwendung von Ab-initio-Methoden zur Berechnung der elektronischen Struktur von unterschiedlichsten Materialien und, daraus abgeleitet, von deren spezifischen Eigenschaften. Das Zentrum erlangte 1993 den Status eines Center of Excellence und war damit etabliert. Wie so oft scheiterte dieser vielversprechende Anfang in den meisten Staaten an der Finanzierung. In Österreich waren die Mittel jedoch vorhanden, und auf Vorschlag des Wissenschaftsministeriums wurde am 2. Dezember 1993 ein gleichnamiger wissenschaftlicher Verein als Trägerorganisation gegründet, der ab 1994 eine Basissubvention erhielt. Neben der Basissubvention wird das CMS durch Teilnahme an nationalen (FWF, FFG) und internationalen Forschungsprojekten finanziert. Auf europäischer Ebene sind hier die Forschungsnetzwerke RTN (Research and Training Network) Computational Magnetoelectronics, TMR (Training and Mobility of Researchers) Electronic Structure Calculations of Materials Properties and Processes for Industry and Basic Sciences, die 2 STREP (Specific Targeted Research Project) Programme NaNO2, Oxidation of Nanoparticles und DynaSync, Dynamics of Nanostructures, sowie das Marie-Curie-Visiting-Doctoral-Fellowship zu nennen, welches 2002 genehmigt wurde und den internationalen Arm des CMS darstellt. Das CMS ist auch Partner in den ESF-(European Science Foundation) Programmen Psi-k und SIMUL.

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and the University of Vienna. Even at that time, Vienna was already one of the world’s leading centres for the development and application of ab initio methods for calculating the electronic structures of a wide range of materials and, it follows, of their specific properties. The centre attained the status of a Centre of Excellence in 1993, thus officially becoming established. As so often happens, this promising start failed in most of the countries on account of funding. In Austria, however, the financial resources were available and according to a suggestion of the Ministry for Science, a scientific entity of the same name was established on 2 December 1993 as a host organisation, and given a basic subsidy beginning in 1994. In addition to the basic subsidy, the CMS is financed through its participation in national (FWF, FFG) and international research projects. Among the European programmes are the research networks RTN (Research and Training Networks) Computational Magnetoelectronics, TMR (Training and Mobility of Researchers) Electronic Structure Calculations of Materials Properties and Processes for Industry and Basic Sciences, the two STREP (Specific Targeted Research Project) programmes NaNO2, Oxidation of Nanoparticles and DynaSync, Dynamics of Nanostructures, as well as the Marie Curie Visiting Doctoral Fellowship, which was approved in 2002 and represents the international arm of the CMS. The CMS is also a partner in the ESF (European Science Foundation) programmes Psi-k and SIMUL. The basic idea of the CMS was – and still is – to accommodate the rapid development and constantly increasing importance of the numerical simulation of material properties and, through intense cooperation on a national and international level, to establish opportunities to continually attract new generations of young scientists, who possess the necessary broad and sound education in physics, chemistry, mathematics, and their respective implementation in simulation software. The research ­areas have, of course, been adapted to current developments. As one representative example of a plethora of applications the result of a quantum mechanical ab-initio simulation of a zeolite molecule is shown in Fig. 1.

Abb. 1: Schematische Darstellung der quantenmechanischen Simulation einer durch ein „Käfigmolekül“ (Zeolith) katalysierten chemischen Reaktion. Solche extrem aufwendigen ab-initio Berechnungen ermöglichen es, die Eigenschaften neuartiger Materialien noch vor ihrer Herstellung zu bestimmen Figure 1: Schematic depiction of the quantum mechanical simulation of a chemical reaction catalysed by a “cage molecule” (zeolite). By means of such extremely complex ab-initio calculations, it is possible to determine the properties of new materials even before they are produced

Die grundlegende Idee des CMS lag und liegt darin, der raschen Entwicklung und ständig steigenden Wichtigkeit der numerischen Simulationen von Materialeigenschaften Rechnung zu tragen und über eine intensive Zusammenarbeit auf nationaler und internationaler Ebene eine Möglichkeit zu schaffen, laufend neue Generationen von jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mit der nötigen breiten und soliden Ausbildung in Physik, Chemie, Mathematik und deren Übersetzung in Simulationssoftware heranzuziehen. Die Forschungsgebiete haben sich dabei natürlich laufend den aktuellen Entwicklungen angepasst. Stellvertretend für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen zeigt Abb. 1 das Ergebnis einer quantenmechanischen Ab-initio-Simulation eines Zeolith-Moleküls. Von Beginn an wurde die Arbeit des CMS durch ein internationales Advisory Board unter dem Vorsitz von Volker Heine (Univ. Cambridge) begutachtet und fand ihren Niederschlag in regelmäßigen Arbeitsberichten. Als Folge der erfolgreichen Tätigkeit des CMS und um die weitere Basisfinanzierung zu sichern und aus dem Bereich der Ermessensausgaben des Ministeriums loszulösen, wurde auf Initiative des Wissenschaftsministeriums im Jahr 2011 das Virtuelle Interuniversitäre Forschungszentrum Vienna Center for Computational Materials Science (VICMS) gegründet, dessen Mitglieder die TU Wien, die Universität Wien und der Verein CMS sind. Der Sitz dieses Forschungszentrums ist einmal mehr die TU Wien, und auch die Finanzierung erfolgt über das Globalbudget der TU Wien. Neben dem Verein hat nun dieses Forschungszentrum u.a. die Aufgaben der internationalen Vernetzung übernommen und ist beispielsweise der

Right from the beginning, the work of the CMS was evaluated by an international advisory board chaired by Volker Heine (University of Cambridge), with findings reflected in regular work reports. As a result of the successful work of the CMS, and to ensure continued funding and be freed from the discretionary spending of the Ministry, the Vienna Center for Computational Materials Science (VICMS), a virtual inter-university research centre, was established in 2011 at the initiative of the Ministry for Science. Members of this centre are the TU Wien, the University of Vienna, and the CMS association. The headquarters of the research centre is located, once again, at the TU Wien, with funding being provided through the global budget of the TU Wien. In addition to the separate association, the research centre has now taken on the task of, among other things, international networking and is, for example, the Austrian representative at the Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire (CECAM) based in Lausanne.

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Vertreter Österreichs beim Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire (CECAM) mit Sitz in Lausanne. Thorsten Schumm Das „Vienna Center for Quantum Science and Technology“ (VCQ) Die Quantenphysik beschäftigt sich mit Phänomenen, die auf der mikroskopischen Skala der Atome oder Moleküle eine Rolle spielen. Aus dieser Forschungsrichtung entwickeln sich zunehmend auch Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise im Bereich Datenverarbeitung, Kommunikation, Messtechnik/Sensorik und Metrologie. Um solche Quantentechnologien gezielt zu untersuchen und weiter zu entwickeln, haben sich Quantenforschungsgruppen der TU Wien (Schmiedmayer, Rauschenbeutel, Schumm, Rabl), der Universität Wien (Arndt, Aspelmayer, Brukner, Verstraete, Walther) und der ÖAW (Zeilinger, Ursin) in einer Forschungsallianz, dem Vienna Centre for Quantum Science and Technology (VCQ) zusammengeschlossen. Ziel der Allianz ist es, die Quantenforschung einem breiteren Publikum bekannt und zugänglich zu machen, z.B. durch einen gemeinsamen Internetauftritt und öffentlich zugängliche Vorträge von hochrangigen internationalen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern. Das VCQ wirkt als gemeinsames Sprachrohr gegenüber den Forschungsförderungseinrichtungen und privaten Geldgebern. Insbesondere soll das VCQ helfen, Ergebnisse der Quantenforschung in nutzbare Technologien zu überführen. In Zukunft ist eine noch stärkere gemeinsame Beantragung und Nutzung von Infrastruktur geplant. Derzeit fehlt es an einem Instrument, vielversprechende junge Talente in die Gruppen zu holen, um neue Impulse und Techniken zu erhalten. Hier setzt das VCQ mit einem 3-jährigen hochkompetitiven Fellowship-Programm an, das auch eigene Reise- und Forschungsgelder beinhaltet. Derzeit forschen 3 VCQ-Fellows an der TU Wien, das Rektorat unterstützt das VCQ mit einer Fellowship/ Jahr. Dieses Programm soll schrittweise ausgeweitet werden, insbesondere wird eine Vernetzung mit den Quantenforschungsgruppen in Innsbruck angestrebt.

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Thorsten Schumm The “Vienna Center for Quantum Science and Technology” (VCQ) Quantum physics deals with phenomena that play a role on the microscopic scale of atoms and molecules. This branch of research is increasingly developing a wide range of application possibilities, including the areas of data processing, communication, measurement and sensor technology, and metrology. To specifically study and further develop quantum technologies, quantum research groups at the TU Wien (Schmiedmayer, Rauschenbeutel, Schumm, and Rabl), the University of Vienna (Arndt, Aspelmayer, Brukner, Verstraete, and Walther), and the ÖAW (Zeilinger and Ursin) have formed a research alliance, the Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ). The objective of the alliance is to promote quantum research and make it accessible to a wider audience, e.g., through a joint internet presence and publicly accessible lectures by internationally renowned, high-level scientists. The VCQ acts as a common voice vis-à-vis research funding agencies and private sponsors. In particular, the VCQ aims to help transfer the results of quantum research into operational technologies. In the future, an even stronger joint application for funding and use of infrastructure is planned. An instrument for attracting promising young talent to the groups, thus gaining new impulses and technologies, is lacking. To this end, the VCQ is offering a threeyear, highly competitive fellowship programme that includes travel and research funds. Currently, three VCQ fellows are conducting research at the TU Wien, with the rectorate supporting one VCQ fellowship per year. The programme will be gradually expanded. One goal, in particular, is networking with the quantum research groups in Innsbruck.

Vertreter Österreichs beim Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire (CECAM) mit Sitz in Lausanne. Thorsten Schumm Das „Vienna Center for Quantum Science and Technology“ (VCQ) Die Quantenphysik beschäftigt sich mit Phänomenen, die auf der mikroskopischen Skala der Atome oder Moleküle eine Rolle spielen. Aus dieser Forschungsrichtung entwickeln sich zunehmend auch Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise im Bereich Datenverarbeitung, Kommunikation, Messtechnik/Sensorik und Metrologie. Um solche Quantentechnologien gezielt zu untersuchen und weiter zu entwickeln, haben sich Quantenforschungsgruppen der TU Wien (Schmiedmayer, Rauschenbeutel, Schumm, Rabl), der Universität Wien (Arndt, Aspelmayer, Brukner, Verstraete, Walther) und der ÖAW (Zeilinger, Ursin) in einer Forschungsallianz, dem Vienna Centre for Quantum Science and Technology (VCQ) zusammengeschlossen. Ziel der Allianz ist es, die Quantenforschung einem breiteren Publikum bekannt und zugänglich zu machen, z.B. durch einen gemeinsamen Internetauftritt und öffentlich zugängliche Vorträge von hochrangigen internationalen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern. Das VCQ wirkt als gemeinsames Sprachrohr gegenüber den Forschungsförderungseinrichtungen und privaten Geldgebern. Insbesondere soll das VCQ helfen, Ergebnisse der Quantenforschung in nutzbare Technologien zu überführen. In Zukunft ist eine noch stärkere gemeinsame Beantragung und Nutzung von Infrastruktur geplant. Derzeit fehlt es an einem Instrument, vielversprechende junge Talente in die Gruppen zu holen, um neue Impulse und Techniken zu erhalten. Hier setzt das VCQ mit einem 3-jährigen hochkompetitiven Fellowship-Programm an, das auch eigene Reise- und Forschungsgelder beinhaltet. Derzeit forschen 3 VCQ-Fellows an der TU Wien, das Rektorat unterstützt das VCQ mit einer Fellowship/ Jahr. Dieses Programm soll schrittweise ausgeweitet werden, insbesondere wird eine Vernetzung mit den Quantenforschungsgruppen in Innsbruck angestrebt.

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Thorsten Schumm The “Vienna Center for Quantum Science and Technology” (VCQ) Quantum physics deals with phenomena that play a role on the microscopic scale of atoms and molecules. This branch of research is increasingly developing a wide range of application possibilities, including the areas of data processing, communication, measurement and sensor technology, and metrology. To specifically study and further develop quantum technologies, quantum research groups at the TU Wien (Schmiedmayer, Rauschenbeutel, Schumm, and Rabl), the University of Vienna (Arndt, Aspelmayer, Brukner, Verstraete, and Walther), and the ÖAW (Zeilinger and Ursin) have formed a research alliance, the Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ). The objective of the alliance is to promote quantum research and make it accessible to a wider audience, e.g., through a joint internet presence and publicly accessible lectures by internationally renowned, high-level scientists. The VCQ acts as a common voice vis-à-vis research funding agencies and private sponsors. In particular, the VCQ aims to help transfer the results of quantum research into operational technologies. In the future, an even stronger joint application for funding and use of infrastructure is planned. An instrument for attracting promising young talent to the groups, thus gaining new impulses and technologies, is lacking. To this end, the VCQ is offering a threeyear, highly competitive fellowship programme that includes travel and research funds. Currently, three VCQ fellows are conducting research at the TU Wien, with the rectorate supporting one VCQ fellowship per year. The programme will be gradually expanded. One goal, in particular, is networking with the quantum research groups in Innsbruck.

Thorsten Schumm Der Spezialforschungsbereich „Foundations and Applications of Quantum Science and Technology” (FoQuS)

Thorsten Schumm The Special Research Area “Foundations and Applications of Quantum Science and Technology” (FoQuS)

Quantenphysikalische Effekte werden mittlerweile in immer mehr physikalischen Systemen beobachtet und aktiv verwendet: Von einzelnen Atomen und Ionen zu größeren Ensembles, von Dimeren zu großen und komplexen Molekülen, Clustern und Nanoteilchen, von Festkörpersystemen bis hin zu mechanischen Systemen, um nur einige Beispiele zu nennen. Alle diese Realisierungen haben ihre spezifischen Eigenschaften, Stärken und Schwächen. Spannende Fragestellungen ergeben sich aus dem Vergleich sowie der Kombination der verschiedenen Quantensysteme. Diese können nur im Rahmen einer übergreifenden Kollaboration unter Anwendung möglichst vieler verschiedener Ansätze zur Quantenphysik diskutiert und untersucht werden. Ein gemeinsamer Spezialforschungsbereich (SFB) zu Grundlagen und Anwendungen der Quantentechnologie („Foundations and Applications of Quantum Science and Technology” – FoQuS) verbindet die Gruppen der TU Wien mit der Quantenforschung in Österreich, insbesondere in Wien und Innsbruck. Der SFB umfasst 19 Vollmitglieder und 18 assoziierte Partner und ist damit einer der größten in Österreich. Mitglieder des SFB, insbesondere Studierende, bekommen einen Einblick in sämtliche Gebiete und Systeme der Quantenforschung: Photonen, Atome, Ionen, Moleküle, Bose/Fermigase, Festkörpersysteme, mechanische Systeme sowie eine Vielzahl theoretischer Arbeiten und Techniken. 4-5 mehrtägige SFB Meetings pro Jahr an wechselnden Standorten (einschließlich Laborbesuche) stellen sicher, dass Gemeinsamkeiten in Inhalten oder Techniken schnell erkannt werden und vorhandene Infrastruktur optimal genutzt wird. Der SFB unterstützt etwa 5-10 thematisch spezialisierte Konferenzen und Workshops pro Jahr, darunter eine Sommerschule für junge Studierende und eine jährliche, einwöchige Konferenz in Obergurgl. Die TU Wien unterstützt den SFB FoQuS durch Zuschüsse in Höhe von 10% der Antragssumme.

Quantum physical effects are observed and used in an ever-increasing number of physical systems: from individual atoms and ions to larger ensembles, from dimers to large and complex molecules, clusters and nanoparticles, from solid-state systems to mechanical systems, to name just a few examples. All of these manifestations have their specific properties, strengths, and weaknesses. Exciting questions arise from the comparison, as well as the combination, of different quantum systems. These can only be discussed and studied within the scope of a comprehensive collaboration with as many different approaches to quantum physics as possible. A joint Special Research Area (SFB) dedicated to the fundamentals and applications of quantum technology (Foundations and Applications of Quantum Science and Technology – FoQuS) connects the groups of the TU Wien with quantum research in the rest of Austria, particularly in Vienna and Innsbruck. The SFB includes 19 full members and 18 associated partners, making it one of the largest in Austria. Members of the SFB, especially students, gain insight into all areas and systems of quantum research: photons, atoms, ions, molecules, Bose/ Fermi gases, solid state systems, mechanical systems, and a number of theoretical projects and techniques. Four to five multi-day SFB meetings per year at various locations (including laboratory visits) ensure that common points in content and technique are quickly identified and that existing infrastructure is put to optimal use. The SFB supports around five to ten thematically specialised conferences and workshops per year, including a summer school for young students and an annual oneweek conference in Obergurgl. The TU Wien supports the SFB FoQuS through subsidies amounting to 10% of the requested funding.

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Martin Gröschl et al.

TECHNISCHE ANWENDUNGEN IN DER AKUSTIK TECHNICAL APPLICATIONS IN ACOUSTICS Martin Gröschl Die Bogenstreichmaschine

Martin Gröschl The Bowing Machine

Die am Institut für Angewandte Physik etablierte Arbeitsgruppe für Sensorik und Ultraschalltechnik beschäftigt sich unter anderem mit verschiedenen technischen Anwendungen in der Akustik. Dies umfasst sowohl den Bereich des Hörschalls (Raumakustik, Musikinstrumente etc.) als auch des Ultraschalls (Ultraschallmesstechnik, Ultraschallfiltration etc.). Im Folgenden werden einige Beispiele vorgestellt. Der Klang eines Saiteninstruments, z.B. einer Geige, wird nicht nur vom Instrument selbst, sondern auch sehr wesentlich von den verwendeten Saiten bestimmt. Dabei kommt es sowohl auf das Material der Saite als auch auf deren mechanische Eigenschaften, wie Elastizität, Schwingungsverhalten, und Torsionssteifigkeit an. Bei der Entwicklung und Erprobung neuer Saiten, ebenso wie bei der Qualitätskontrolle in der Produktion, spielt die Analyse des „Klangs“ einer Saite – natürlich klingt immer das Instrument im Zusammenspiel mit der schwingenden Saite – eine entscheidende Rolle. Dies stellt allerdings Instrumentenbauer und Saitenhersteller vor große Herausforderungen, denn selbst ein technisch äußerst versierter Konzertgeiger ist nicht in der Lage, eine Saite mehrmals hintereinander exakt gleich anzustreichen, wie dies für messtechnische Analysen wünschenswert wäre. Daher haben wir in Kooperation mit der Universität für Musik und Darstellende Kunst in Wien (Gregor Widholm) und der Firma Thomastik-Infeld eine Vorrichtung, die „Bogenstreichmaschine“ entwickelt, die einen beliebig wiederholbaren und exakt gleichen Anstrich einer Saite ermöglicht. Im Fall einer Geige wird ein konventioneller Geigenbogen mit Hilfe eines elektrisch angetriebenen

The Work Group for Sensors and Ultrasonics established at the Institute of Applied Physics studies various technical applications in acoustics, among other things. This includes both the audible part of the sound spectrum (room acoustics, musical instruments, etc.) as well as ultrasound (ultrasonic measurement technology, ultrasonic filtration, etc.). The following article presents a number of examples. The sound of a stringed instrument, such as a violin, is determined not only by the instrument itself but also in large part by the strings that are used. Both the material of the string and its mechanical properties, for example elasticity and vibration performance, are important here. During the development and testing of new strings and during quality control in production, the analysis of the “sound” of a string plays a key role as the interaction with the vibrating string is, of course, what produces the instrument’s sound. However, this poses great challenges for instrument makers and string manufacturers: even a technically extremely skilled concert violinist is not able to bow a string in the exact same way numerous times in a row, as would be desirable to create a quantitative analysis. For this reason we have, in cooperation with the University of Music and Performing Arts Vienna (Gregor Widholm) and the Thomastik-Infeld company developed the “bowing machine”, a device that draws the bow across a string as often as needed and with the exact same stroke. In the case of a violin, a conventional violin bow is moved across the violin string by an electrically driven and electronically controlled precision slide with exactly defined contact pressure. A microphone records the

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Abb. 1: Bogenstreichmaschine. Vorrichtung zum wiederholten, reproduzierbaren und exakt gleichen Anstrich von Saiten eines Saiteninstruments zum Zweck der Klanganalyse und Qualitätskontrolle. Figure 1: Bowing machine: A device for the repeated, reproducible, and exact stroking of the strings of a musical instrument for the purpose of sound analysis and quality control.

sound, which is then evaluated by a spectrum analyser. While this does not generate musically beautiful sounds by any means, the measurement data collected are extremely valuable for the analysis and evaluation of string quality. Martin Gröschl, Ewald Benes und elektronisch gesteuerten Präzisionsschlittens mit genau definiertem Auflagedruck über die zu analysierende Geigensaite bewegt. Der Ton wird mittels Mikrofon aufgezeichnet und in einem Spektrum-Analysator ausgewertet. Auf diese Weise entsteht zwar kein musikalisch schöner Klang, jedoch sind die gewonnenen Messdaten äußerst wertvoll für die Analyse und Beurteilung der Qualität einer Saite. Martin Gröschl, Ewald Benes Ultraschallfiltration Fein verteilte Partikel in Flüssigkeiten (Suspensionen) oder Gasen (Rauch) können mit Hilfe akustischer Kräfte herausgefiltert werden. Das Verfahren basiert auf der Tatsache, dass sich in einem stehenden Ultraschallfeld ortsfeste Ebenen bilden, nämlich die Ebenen der Schalldruck-Knoten. In diese Bereiche des verschwindenden Schalldrucks werden – bei geeigneter Versuchsanordnung – die Partikel auf Grund des Schallstrahlungsdrucks getrieben und dort festgehalten. Dieser Effekt kann nun auf verschiedene Arten zur Filtration ausgenützt werden: Abb. 1 zeigt ein Ultraschallfilter, das auf einem Bioreaktor montiert ist. In solchen Bioreaktoren werden biologische Zellen, z.B. Säugetierzellen (mit Durchmessern von einigen Mikrometern), gezüchtet, deren Stoff-

94 |  Martin Gröschl et al.

Ultrasonic Filtration Highly dispersed particles in liquids (suspensions) or gases (smoke) can be filtered out with the aid of acoustic forces. The process is based on the fact that fixed planes form within standing wave fields, namely the planes of the acoustic pressure nodes. With a proper experimental set-up, the particles are driven to the areas of minimum acoustic pressure by the acoustic radiation force, and held there in place. This effect can now be used to perform filtration in various ways: Fig. 1 shows an ultrasonic filter ­mounted on a perfusion type bioreactor. In such bioreactors, biological cells (mammalian cells, for example, with a diameter of only a few micrometres) that create metabolic products needed by the pharmaceutical industry and in medicine are cultivated. During this process, cells must remain in the reactor for long periods of time (often weeks or months), reproducing while the consumed nutrient solution, along with the metabolic products contained therein, is continually pumped out and fresh nutrient solution fed in. In this process, ultrasonic filters offer decisive advantages over conventional filters (membrane filters) and centrifuges. Because ultrasonic filters have no moving parts, there is no risk of clogging, the filter is easy to clean and to sterilise by hot steam process, and is also robust and economical to operate.

Abb. 1: Bogenstreichmaschine. Vorrichtung zum wiederholten, reproduzierbaren und exakt gleichen Anstrich von Saiten eines Saiteninstruments zum Zweck der Klanganalyse und Qualitätskontrolle. Figure 1: Bowing machine: A device for the repeated, reproducible, and exact stroking of the strings of a musical instrument for the purpose of sound analysis and quality control.

sound, which is then evaluated by a spectrum analyser. While this does not generate musically beautiful sounds by any means, the measurement data collected are extremely valuable for the analysis and evaluation of string quality. Martin Gröschl, Ewald Benes und elektronisch gesteuerten Präzisionsschlittens mit genau definiertem Auflagedruck über die zu analysierende Geigensaite bewegt. Der Ton wird mittels Mikrofon aufgezeichnet und in einem Spektrum-Analysator ausgewertet. Auf diese Weise entsteht zwar kein musikalisch schöner Klang, jedoch sind die gewonnenen Messdaten äußerst wertvoll für die Analyse und Beurteilung der Qualität einer Saite. Martin Gröschl, Ewald Benes Ultraschallfiltration Fein verteilte Partikel in Flüssigkeiten (Suspensionen) oder Gasen (Rauch) können mit Hilfe akustischer Kräfte herausgefiltert werden. Das Verfahren basiert auf der Tatsache, dass sich in einem stehenden Ultraschallfeld ortsfeste Ebenen bilden, nämlich die Ebenen der Schalldruck-Knoten. In diese Bereiche des verschwindenden Schalldrucks werden – bei geeigneter Versuchsanordnung – die Partikel auf Grund des Schallstrahlungsdrucks getrieben und dort festgehalten. Dieser Effekt kann nun auf verschiedene Arten zur Filtration ausgenützt werden: Abb. 1 zeigt ein Ultraschallfilter, das auf einem Bioreaktor montiert ist. In solchen Bioreaktoren werden biologische Zellen, z.B. Säugetierzellen (mit Durchmessern von einigen Mikrometern), gezüchtet, deren Stoff-

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Ultrasonic Filtration Highly dispersed particles in liquids (suspensions) or gases (smoke) can be filtered out with the aid of acoustic forces. The process is based on the fact that fixed planes form within standing wave fields, namely the planes of the acoustic pressure nodes. With a proper experimental set-up, the particles are driven to the areas of minimum acoustic pressure by the acoustic radiation force, and held there in place. This effect can now be used to perform filtration in various ways: Fig. 1 shows an ultrasonic filter ­mounted on a perfusion type bioreactor. In such bioreactors, biological cells (mammalian cells, for example, with a diameter of only a few micrometres) that create metabolic products needed by the pharmaceutical industry and in medicine are cultivated. During this process, cells must remain in the reactor for long periods of time (often weeks or months), reproducing while the consumed nutrient solution, along with the metabolic products contained therein, is continually pumped out and fresh nutrient solution fed in. In this process, ultrasonic filters offer decisive advantages over conventional filters (membrane filters) and centrifuges. Because ultrasonic filters have no moving parts, there is no risk of clogging, the filter is easy to clean and to sterilise by hot steam process, and is also robust and economical to operate.

wechselprodukte für die pharmazeutische Industrie oder Medizin benötigt werden. Dabei sollen die Zellen über lange Zeiträume (oft Wochen oder Monate) im Reaktor verbleiben und sich vermehren, während die verbrauchte Nährlösung mit den darin enthaltenen Stoffwechselprodukten laufend abgepumpt und frische Nährlösung zugeführt wird. Hier bieten Ultraschallfilter entscheidende Vorteile gegenüber konventionellen Filtern (Membranfiltern) oder Zentrifugen, denn im Ultraschallfilter gibt es keine beweglichen Teile, es besteht keine Gefahr des Verstopfens, das Filter ist mit Heißdampf leicht zu reinigen bzw. sterilisierbar, sowie robust und relativ kostengünstig im Betrieb. Weiters werden die biologischen Zellen, auch bei längerem Verbleib in der Filterkammer, nicht geschädigt oder abgetötet. Oft wird ein solches Filter von unten nach oben durchströmt, wobei die Zellen auf Grund des Ultraschalls in die Ebenen der Schalldruck-Knoten getrieben werden. Es bilden sich somit größere Zellklumpen (Agglomerate), die aufgrund ihres kleineren Oberfläche/Volumen-Verhältnisses allein von der Schwerkraft gegen die Strömung in der Filterkammer gehalten werden oder sogar zurück in den Bioreaktor sinken. Die verbrauchte Nährlösung mit dem Stoffwechselprodukt wird am oberen Auslass des Filters entnommen. In Abb. 2 ist eine spezielle Ausführung eines Ultraschallfilters, der sogenannte h-Resonator, dargestellt. Dieser weist einen Flüssigkeitseinlass und auf der gegenüber liegenden Seite zwei Auslässe auf. Die Ultraschallausbreitung erfolgt wiederum vertikal zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit, d.h. die Partikel werden hier in den waagrecht verlaufenden Ebenen der Schalldruck-Knoten gefangen und – bei geeigneter Konstruktion der Resonatorkammer – „wie auf Schienen“ zum unteren Auslass befördert. Das gereinigte bzw. von den Partikeln befreite Medium kann am oberen Auslass entnommen werden. Der Vorteil des h-Resonators gegenüber dem Ultraschallfilter nach Abb. 1 besteht in seiner Funktionsweise auch gänzlich ohne Wirkung der Schwerkraft. Daher war es von Interesse, dieses Filtrationsprinzip hinsichtlich sei-

Abb. 1: Ultraschallfilter für die Biotechnologie. Links: Filterkammer (Resonator) montiert auf einem 10-Liter Bioreaktor; rechts: vergrößerte Ansicht des aktiven Filtervolumens. Die Ultraschallausbreitung in der Filterkammer erfolgt in waagrechter Richtung, die senkrecht verlaufenden Ebenen der Schalldruck-Knoten, in denen die Zellen festgehalten werden, sind im Bild gut erkennbar Figure 1: Ultrasonic filter for the biotech industry. Left: Filter chamber (resonator) mounted on a 10-litre bioreactor; right: Enlarged view of the active filter volume. The ultrasonic waves propagate horizontally in the filter chamber; the vertical planes of the acoustic pressure nodes, in which the cells are held in place, are clearly visible in the photo

In addition, it does not damage or kill biological cells, even if they remain in the filter chamber for a relatively long time. In an ultrasonic filter, fluids often flow from bottom to top, with cells driven to the sound pressure nodes by the ultrasound. As a result, larger clumps of cells (agglomerates) are formed. As a consequence of the lower surface to volume ratio of these agglomerates, the force of gravity is then sufficient to counter the flow and hold the clumps in the filter chamber, or even cause them to sink back into the bioreactor. The consumed nutrient solution with the metabolic product is removed at the upper outlet of the filter. Fig. 2 shows a special ultrasonic filter design, the socalled h-(shape-) resonator. This features a single fluid intake and, on the opposite side, two outlets. Ultrasonic waves propagate vertically relative to the flow direction of the fluid, i.e., the particles are trapped in the horizon-

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Abb. 2: Funktionsprinzip eines „h-Resonators“: Ein stehendes Ultraschallfeld, erzeugt durch eine Piezokeramik als Schallsender und einen Reflektor, bildet Ebenen der Schalldruck-Knoten parallel zur Strömung der Flüssigkeit. In diesen Ebenen werden die Partikel zum unteren Auslass (OUT 2) befördert, während die gereinigte Flüssigkeit an OUT 1 entnommen wird. Die berechneten Teilchenbahnen ohne bzw. mit Ultraschallfeld sind in rot dargestellt. Figure 2: Functional principle of n “h-resonator”: A standing ultrasonic field, generated by a piezo-ceramic acoustic transmitter and a reflector, forms planes of the sound pressure nodes parallel to the flow of the fluid. In these planes, the particles are transported to the lower outlet (OUT 2) while the cleaned fluid is removed through OUT 1. Calculated particle trajectories without and with ultrasonic field, respectively, are shown in red.

ner Tauglichkeit im schwerelosen Raum in der Praxis zu testen. Im Zuge der 23rd ESA Parabolic Flight Campaign, die ausgehend von Bordeaux, Frankreich, vom 21. bis 23. November 2000 stattfand, konnte die Funktion des h-Resonators unter Schwerelosigkeit demonstriert werden. Derartige Parabelflüge, die mit modifizierten und zu Forschungslabors umgestalteten Verkehrsflugzeugen durchgeführt werden, sind eine (im Vergleich zu einem Aufenthalt in einer Weltraumstation) sehr kostengünstige Alternative, um Schwerelosigkeit bzw. eine deutlich reduzierte Schwerkraft zu simulieren. Dabei werden parabelförmige Flugbahnen durchflogen, wobei innerhalb jeder Parabelbahn eine ca. 20-25 Sekunden andauernde Phase sehr geringer Schwerkraft (engl.: microgravi-

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tal planes of the acoustic pressure nodes and – if the resonator chamber is properly designed – transported to the lower outlet “as if on rails”. Once cleaned or freed of particles, the medium is removed at the upper outlet. The advantage of the h-resonator over the ultrasonic filter shown in Fig. 1 lies in its operating principle, which does not rely on the effect of gravity. For this reason, it was of interest to test the filtration principle with respect to its suitability for use in weightless space. It was possible to demonstrate the functionality of the h-resonator in the absence of gravity at the 23rd ESA Parabolic Flight Campaign, held from 21-23 November 2000 in Bordeaux, France. Parabolic flights, which are performed with modified commercial aircraft equipped with research laboratories, are a very economical alternative (compared to a space station voyage) for simulating weightlessness or a considerably reduced gravitational force. The process involves flying parabolic flight paths, whereby a phase of very low gravity (microgravity), lasting approximately 20-25 seconds, occurs during each parabolic path – a time period used to perform the scientific experiments at hand. Before and after the weightless phase (during the steep ascent or descent), accelerations of approximately 2g (twice the acceleration of gravity) are experienced. Following a “recovery phase” (horizontal flight), the next parabolic path is initiated (up to 30 during the course of a flight). A conceivable future application of ultrasonic filters, based on the h-resonator’s performance in zero gravity, is the production of algae as a food source in space stations or during space flights. This project was funded by the European Commission as part of the Training and Mobility of Young Researchers (TMR) UltraSonoSep Network. Stefan Rotter “The Perfect Wave” Normally, sound waves propagate in many different directions – otherwise, a speaker in a lecture hall would not be heard by his or her audience. By means of a special method, however, sound can also be directed to follow

ty) herrscht, die für entsprechende wissenschaftliche Experimente genutzt wird. Jeweils vor und nach der schwerelosen Phase (im steilen Steig- bzw. Sinkflug) herrschen hingegen Beschleunigungen von ca. 2g (doppelte Erdbeschleunigung). Nach einer „Erholungsphase“ (waagrechter Flug) wird die nächste Parabelbahn eingeleitet (bis zu 30 während eines gesamten Fluges). Eine denkbare künftige Anwendung des Ultraschallfilters auf Basis des h-Resonators in Schwerelosigkeit ist die Nahrungsgewinnung aus Algen in Weltraumstationen oder während Raumflügen. Das Projekt wurde gefördert durch die Europäische Kommission im Rahmen des Training and Mobility of Young Researchers (TMR) Networks UltraSonoSep Network.

Abb.1: Eine Welle breitet sich vom Sender zum Empfänger aus – an Abhörmikrophonen vorbei. Fig. 1: A wave propagates from transmitter to receiver – past an eavesdropping microphone.

Stefan Rotter „Die perfekte Welle“ Herkömmlicherweise breiten sich Schallwellen in viele verschiedene Richtungen aus – andernfalls würde ein Vortragender in einem Hörsaal von seinem Publikum nicht gehört werden. Durch eine spezielle Methode lässt sich Schall jedoch auch auf präzise Bahnen schicken. Dies würde Kommunikation vorbei an unerwünschten Mithörern ermöglichen. Jemandem einen Ball zuzuwerfen, ohne dass er von anderen Leuten abgefangen werden kann, ist relativ einfach. Jemandem etwas zuzurufen, ohne dass es von anderen Leuten gehört werden kann, ist viel schwieriger. Hier gibt es einen grundlegenden Unterschied zwischen Wellen und festen Objekten: Während sich der Ball entlang einer geraden Linie bewegt, breiten sich Wellen meist in alle Richtungen gleichzeitig aus. Mit einer speziellen Technik, entwickelt von Stefan Rotter, Philipp Ambichl und Florian Libisch vom Institut für Theoretische Physik, kann man Wellen jedoch auch dazu bringen, sich auf simplen, geraden Bahnen fortzubewegen. Wer sich abseits dieser Bahn befindet, wird von der Welle niemals erreicht – und kann sie folglich auch nicht wahrnehmen. So könnte etwa eine Schallwelle in ein Zimmer geleitet

very precise paths. This would, for example, safeguard communication against eavesdroppers. It is relatively easy to throw a ball to someone in such a way that it cannot be caught by other people. It is much more difficult to yell something to someone in a way that cannot be heard by other people. This is one of the fundamental differences between waves and solid objects: while a ball moves along a straight line, waves generally propagate in all directions. Using a special technology developed by Stefan Rotter, Philipp Ambichl, and Florian Libisch from the Institute of Theoretical Physics, it is possible to make waves move along simple, straight paths. Anyone situated outside of this path will never be reached by the wave – and, as a result, will not hear it. Thus, a sound wave could be directed into a room, propagate along a straight path, bounce off the walls several times like a rubber ball, and then exit the room through another door (Fig. 1). In this way, it is possible to not only direct a signal past eavesdropping microphones, but also to save energy: the entirety of the wave’s energy ultimately arrives loss-free exactly at the intended location, not in parts of the room where it is not needed. In addition to the energy-saving and eavesdrop-secure transmission of data,

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ty) herrscht, die für entsprechende wissenschaftliche Experimente genutzt wird. Jeweils vor und nach der schwerelosen Phase (im steilen Steig- bzw. Sinkflug) herrschen hingegen Beschleunigungen von ca. 2g (doppelte Erdbeschleunigung). Nach einer „Erholungsphase“ (waagrechter Flug) wird die nächste Parabelbahn eingeleitet (bis zu 30 während eines gesamten Fluges). Eine denkbare künftige Anwendung des Ultraschallfilters auf Basis des h-Resonators in Schwerelosigkeit ist die Nahrungsgewinnung aus Algen in Weltraumstationen oder während Raumflügen. Das Projekt wurde gefördert durch die Europäische Kommission im Rahmen des Training and Mobility of Young Researchers (TMR) Networks UltraSonoSep Network.

Abb.1: Eine Welle breitet sich vom Sender zum Empfänger aus – an Abhörmikrophonen vorbei. Fig. 1: A wave propagates from transmitter to receiver – past an eavesdropping microphone.

Stefan Rotter „Die perfekte Welle“ Herkömmlicherweise breiten sich Schallwellen in viele verschiedene Richtungen aus – andernfalls würde ein Vortragender in einem Hörsaal von seinem Publikum nicht gehört werden. Durch eine spezielle Methode lässt sich Schall jedoch auch auf präzise Bahnen schicken. Dies würde Kommunikation vorbei an unerwünschten Mithörern ermöglichen. Jemandem einen Ball zuzuwerfen, ohne dass er von anderen Leuten abgefangen werden kann, ist relativ einfach. Jemandem etwas zuzurufen, ohne dass es von anderen Leuten gehört werden kann, ist viel schwieriger. Hier gibt es einen grundlegenden Unterschied zwischen Wellen und festen Objekten: Während sich der Ball entlang einer geraden Linie bewegt, breiten sich Wellen meist in alle Richtungen gleichzeitig aus. Mit einer speziellen Technik, entwickelt von Stefan Rotter, Philipp Ambichl und Florian Libisch vom Institut für Theoretische Physik, kann man Wellen jedoch auch dazu bringen, sich auf simplen, geraden Bahnen fortzubewegen. Wer sich abseits dieser Bahn befindet, wird von der Welle niemals erreicht – und kann sie folglich auch nicht wahrnehmen. So könnte etwa eine Schallwelle in ein Zimmer geleitet

very precise paths. This would, for example, safeguard communication against eavesdroppers. It is relatively easy to throw a ball to someone in such a way that it cannot be caught by other people. It is much more difficult to yell something to someone in a way that cannot be heard by other people. This is one of the fundamental differences between waves and solid objects: while a ball moves along a straight line, waves generally propagate in all directions. Using a special technology developed by Stefan Rotter, Philipp Ambichl, and Florian Libisch from the Institute of Theoretical Physics, it is possible to make waves move along simple, straight paths. Anyone situated outside of this path will never be reached by the wave – and, as a result, will not hear it. Thus, a sound wave could be directed into a room, propagate along a straight path, bounce off the walls several times like a rubber ball, and then exit the room through another door (Fig. 1). In this way, it is possible to not only direct a signal past eavesdropping microphones, but also to save energy: the entirety of the wave’s energy ultimately arrives loss-free exactly at the intended location, not in parts of the room where it is not needed. In addition to the energy-saving and eavesdrop-secure transmission of data,

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werden, sich geradlinig fortbewegen, wie ein Gummiball mehrmals an den Wänden abprallen und das Zimmer durch eine andere Türe wieder verlassen (siehe Abb. 1). Auf diese Weise lässt sich nicht nur ein Signal an Abhörmikrophonen vorbeischwindeln, sondern auch Energie sparen: Schließlich landet am Ende die gesamte Energie der Welle verlustfrei genau dort, wo man sie haben will, und nicht in Raumbereichen, wo sie ohnehin unnötig ist. Neben der energiesparenden und abhörsicheren Übertragung von Daten kann die Wellensteuerungs-Methode auch dazu dienen, Wellen an einer bestimmten Stelle zu konzentrieren. Dies könnte etwa in der Strahlentherapie nützlich sein, wo die Energie der Wellen genau im Tumor freigesetzt wird und das Gewebe rundherum unbeschädigt lässt.

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the wave-control method can also be used to concentrate waves at a specific location. This could be useful, for example, in radiotherapy, where the energy of waves is released exactly into a tumour, leaving surrounding tissue undamaged.

Erwin Jericha et al.

MATERIAL- UND OBERFLÄCHENANALYTIK MATERIALS AND SURFACE ANALYSIS Wesentlicher Bestandteil der Materialforschung ist naturgemäß auch die Charakterisierung von Materialien und Oberflächen. Währen vor etlichen Jahren hochwertige Analysegeräte in einzelnen Instituten zu finden waren, ist es nunmehr Strategie der TU Wien, derartige Kapazitäten in Zentren zu bündeln, welche dann neben Anwendungen aus der Grundlagenforschung auch Dienstleistungen für angewandte Forschung und Entwicklung bereitstellen. Trotz dieser Bündelung gibt es an der Fakultät für Physik weiterhin methodische Entwicklungen.

An essential part of materials research is, naturally, the characterisation of materials and surfaces. While high-quality analysis equipment was still found within the individual institutes several years ago, it has since become the TU Wien’s strategy to bundle such capacities in centres that then, in addition to applications from basic research, also make services available for applied research and development. In spite of this bundling, methodological developments continue to be made at the Faculty of Physics.

Erwin Jericha

Erwin Jericha

Ultrakleinwinkelstreuung von Neutronen

Ultra-Small-Angle Neutron Scattering

Neutronenstrahlen und die für sie entwickelten Instrumente leisten wesentliche Beiträge zur Erforschung der Struktur und Dynamik der kondensierten Materie. Ultrakleinwinkelstreuung von Neutronen ermöglicht dabei die Untersuchung von Mikrostrukturen. Eine spezielle Entwicklung mit polarisierten Neutronen erlaubt die Charakterisierung magnetischer Strukturen im Mikrometerbereich. Die Methode stützt sich auf die extreme Winkelauflösung bei Neutronenreflexion an Perfektkristallen. Für die Erforschung der inneren Struktur der kondensierten Materie, Festkörper und Flüssigkeiten, stehen uns heute eine Vielzahl unterschiedlicher Methoden zur Verfügung, aus denen die Festkörperphysiker, Strukturchemiker, Strukturbiologen, Materialwissenschaftler und Werkstoffingenieure auswählen können. Unter diesen Methoden ermöglicht die Forschung mit Neutronen einen sehr breit gefächerten Einsatz, der in all den ge-

Neutron beams and the instruments developed for them make important contributions to the research of the structure and dynamics of condensed matter. Here, ultra-small-angle neutron scattering makes it possible to examine microstructures. A special development with polarised neutrons enables the characterisation of magnetic structures in the micrometre range. The method is based on the extreme angular resolution that occurs when neutrons are reflected on perfect crystals. There are a number of different methods available to solid-state physicists, structural chemists, structural biologists, materials scientists, and materials engineers today for the study of the internal structures of condensed matter, solids, and liquids. Among these methods, research with neutrons makes possible a widespread use that actually finds application in all of the aforementioned research areas. Based on the methodologies used, we can differentiate between two fundamental

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nannten Forschungsgebieten heute auch tatsächlich Anwendung findet. Wir können aufgrund der verwendeten Methodik zwei grundlegende Verfahrensweisen unterscheiden, die in der Neutronenforschung zur Anwendung kommen: einerseits bildgebende Verfahren, die uns einen direkten Blick auf die Struktur einer untersuchten Probe geben – die Struktur entsteht vor dem Auge des Forschers – und andererseits Streuexperimente, aus denen die Struktur der Probe erst rekonstruiert werden muss – die Struktur entsteht im Kopf des Forschers. Zu den ersten Methoden zählen die Neutronenradiographie und –Tomographie, die uns unmittelbar ein zwei- bzw. dreidimensionales Bild der räumlichen Struktur liefern. Die auflösbaren Strukturgrößen reichen dabei vom Zentimeterbereich bis zu einigen tausendstel Millimeter. Um mit Neutronen kleinere Strukturen zu untersuchen, sind Streumethoden erforderlich. Dabei werden die Neutronen aufgrund ihrer Wechselwirkung mit der strukturierten Materie aus ihrer ursprünglichen Richtung abgelenkt. Zählt man die so gestreuten Neutronen als Funktion des Ablenkwinkels, dann erhält man eine Funktion, die mit der inneren Struktur der Materie in fester Verbindung steht. Wenn wir in diesem Sinne mit Streuwinkeln arbeiten und davon abhängige Größen aufstellen und entwickeln, arbeiten wir in einem zu unserem realen Raum, in dem sich die Struktur manifestiert, komplementären mathematischen Raum, den wir den reziproken Raum nennen. Hier kehren sich die Verhältnisse um: Kleine Strukturen rufen große Streuwinkel der Neutronen hervor, immer größer werdende Strukturen führen auf immer kleiner werdende Streuwinkel. Für Nanostrukturen im Bereich von etwa 10 bis 100 Nanometer liegen die Streuwinkel in einem Bereich zwischen einem und einem Hundertstel Grad; die verwendete Methode wird entsprechend als Neutronenkleinwinkelstreuung bezeichnet. Um solche Winkel auflösen zu können, werden etwa ein Quadratmeter große ortsempfindliche Flächendetektoren in 20 bis 40 Meter lange evakuierte Röhren gesteckt, deren Achse mit der Einfallsrichtung der Neutronen übereinstimmt. Da der Abstand des Detektors von der Probe nicht be-

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procedures that are used in neutron research: on the one hand, there is the imaging method that gives us a direct look at the structure of an examined sample – the structure appears before the eyes of the researcher – and, on the other hand, scattering experiments, from which the sample must first be reconstructed – the structure forms in the mind of the researcher. The first method includes neutron radiography and tomography, both of which immediately provide us with a two- or three-dimensional image of the spatial structure. The resolvable structure sizes here span from centimetres to several thousandths of a millimetre. In order to use neutrons to study smaller structures, scattering methods are necessary. With these methods, the neutrons are deflected from their original direction by their interaction with the structured material. If one counts the neutrons thereby scattered as a function of the deflection angle, one obtains a function that is directly related to the internal structure of the material. If we work with scattering angles in this sense and set up and develop structure sizes that are dependent on them, we work in a mathematical space within which the structure manifests itself that is complementary to our real space. We call this mathematical space reciprocal space. Here, the circumstances are reversed: small structures cause large scattering angles of the neutrons; increasingly large structures result in ever-smaller scattering angles. For nanostructures ranging in size from about 10 to 100 nanometres, the scattering angles are in a range between one degree and one hundredth of a degree; the method used is appropriately referred to as small angle neutron scattering. To be able to resolve such angles, approximately one-square-meter-large, position-sensitive area detectors are placed in 20- to 40-metre-long evacuated tubes whose axes are in line with the incident direction of the neutrons. Because the distance of the detector from the sample is not arbitrary and the angular width of a neutron beam cannot be made smaller than possible, the upper limit for determinable structure size is a few hundred nanometres.

Abb. 1: Illustration zur Ultrakleinwinkelstreuung von Neutronen (USANS). Das Streubild der Probe wird durch Drehen des Analysatorkristalls erhalten und im Detektor links oben registriert. Figure 1: Illustration of ultra-small-angle neutron scattering (USANS). The diffraction pattern of the sample is obtained by turning the analyser crystal and is registered in the detector in the upper left.

liebig groß und die Winkelbreite eines Neutronenstrahls nicht beliebig klein gemacht werden können, gibt es eine Obergrenze für die bestimmbaren Strukturgrößen, die bei wenigen Hundert Nanometern liegt. Nun bleibt ein Größenbereich übrig, der von einigen Hundert Nanometern bis etwa ein, zwei hundertstel Millimeter reicht und von den beiden zuvor beschriebenen Methoden nicht abgedeckt werden kann. Für diesen Bereich wurde unter anderem die Neutronenultrakleinwinkelstreuung entwickelt, wozu die Neutronen- und Quantenphysikgruppe des Atominstituts der TU Wien entscheidende Beiträge geleistet hat (Abb. 1 und 2). Diese Methode stützt sich auf die Tatsache, dass die Winkelbreite von Neutronenstrahlen, die an Perfektkristallen reflektiert werden, extrem schmal ist. Analog zur Neutroneninterferometrie kommen hier Siliziumkristalle zum Einsatz, die in ausreichender Größe mit der nötigen Perfektion erzeugt werden können. Bringt man zwischen zwei solcher Kristalle eine Probe, die die Neutronen nur um wenige zehntausendstel Grad aus ihrer ursprünglichen Richtung ablenkt, lassen sich aus der dadurch bewirkten Änderung der im Detektor registrierten Intensität Strukturinformationen über diese Probe aus genau dem erwähnten Zwischenbereich von etwa einem tausendstel Millimeter gewinnen. Die mit dieser Methode verbundenen physikalischen Fragen reichen von grundlegenden Fragen bis hin zu Phänomenen von technologisch-industrieller Relevanz. So lassen sich etwa Fragen nach der Größe des Bereichs stellen, über den Neutronen – als quantenmechanische Wellen betrachtet- zur Interferenz gebracht werden können. Wir konnten experimentell nachweisen, dass sich dieser als „Kohärenzlänge“ bezeichnete Bereich sogar bis zu einem Zehntelmillimeter erstrecken kann. Damit

A span of a few hundred nanometres to about one or two hundredths of a millimetre still remains that cannot be covered by the two previously mentioned methods. Ultra-small-angle neutron scattering was developed for this range, with the Neutron and Quantum Physics group of the Institute of Atomic and Subatomic Physics of the TU Wien making decisive contributions (Fig. 1 and 2). The method is based on the fact that the angular width of the neutron beams reflected in perfect crystals is extremely small. Similar to neutron interferometry, silicon crystals are used here that can be produced in a sufficient size with the required perfection. If between two such crystals a sample is placed, which deflects the neutrons by just a few ten thousandths of a degree from their original direction, from the then resulting variation of the detected intensity a structural information about this sample can be inferred which corresponds exactly to the aforementioned intermediate range of about one thousandth of a millimetre.

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Abb. 2: Neutronenstreubild und Elektronenmikroskopieaufnahme eines am Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen (ZMNS) hergestellten Si-Strichgitters. Figure 2: Neutron diffraction pattern and electron microscopy image of a ruled Si-grating produced at the Center for Micro and Nanostructures (ZMNS).

verbinden Neutronen so unterschiedliche Längenskalen wie die makroskopischen Dimensionen ihrer Interferenzfähigkeit (10-4 m), eine Wellenlänge von atomarer Größe (10-10 m) und einen Teilchenradius von der Größe der Atomkerne (10-15 m). Auf menschliche Maßstäbe übertragen würde dies bedeuten, dass eine Mensch mit Zehnkilometerschritten läuft und dabei seine Hände bis zur Sonne ausstreckt, eine phantastische Vorstellung!

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A reflection of physics itself, the physical topics associated with this method range from fundamental questions to phenomena with technological and industrial relevance. For instance, it is possible to ask questions about the range within which neutrons – considered as quantum mechanical waves – can be brought to a state of interference. We could demonstrate experimentally that this range, called “coherence length”, can be extended even up to a tenth of a millimetre. The neutrons thereby combine various length scales, such as the macroscopic dimensions of their interference capability (10-4 m), a wavelength of atomic dimensions (10-10 m), and a particle radius of the size of atomic nuclei (10-15 m). If transferred to a human scale, a person would walk with steps ten kilometres

Die Methode wird dazu verwendet, um beispielsweise Kohle und kohlehaltiges Gestein in ihrer Porosität zu charakterisieren und damit auf die Kapazität zu untersuchen, als Speicher für Treibhausgase zu agieren. Gemeinsam mit der Lenzing AG haben wir im Mikrometerbereich die Ausbildung von Zellulosefasern von der Spinndüse durch das Spinnbad bis zur Fadenaufwicklung verfolgt. Ein weiteres Beispiel stellt die Mikrostruktur von Hybrid-Nanokompositen dar, organische Materialien mit anorganischen Beimischungen als potentielle Weiter­ entwicklungen zur industriellen Produktion, wie z.B. Gummi und Silikate für Autoreifen der Zukunft. Die charakteristische Porosität von Gestein erlaubt es auch, die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, mit der ein Gesteinstyp als Speicher von Erdöl in Frage kommt. Unterliegen chemische Prozesse einer genügend langsamen Zeit­skala, können auch dynamische Phänomene untersucht werden, wie etwa die Mikrostruktur von Zement während seiner Aushärtung nach Wasseraufnahme. Weitere Anwendungen sind die Mikrostrukturen von Kohlefaserverbundwerkstoffen, deren Einsatzmöglichkeiten von heu­tigen Kohlefaserchassis bis zu zukünftigen Fusionsreaktoren reichen können. Eine Besonderheit der Neutronen besteht darin, dass sie ein magnetisches Moment besitzen, wodurch sie mit magnetischen Strukturen in Wechselwirkung treten können. Zur Untersuchung magnetischer Strukturen wurde am Atominstitut der TU Wien die Methode der Ultrakleinwinkelstreuung mit polarisierten Neutronen entwickelt. Damit lässt sich die Entwicklung magnetischer Mikrostrukturen unter sich verändernden Umgebungsbedingungen nachverfolgen. Ein Beispiel dazu ist die Charakterisierung weichmagnetischer amorpher Bänder, die in Sensoren und Aktuatoren technologische Anwendung finden.

long and his or her hands would reach to the sun: an unbelievable notion! The method is used, for example, to characterise the porosity of coal and carbonaceous stone and thereby examine its capacity to serve as a storage reservoir for greenhouse gases. Together with Lenzing AG, we have followed the formation of cellulose fibres from spinneret to the winding of thread. Another example is the microstructure of hybrid nanocomposites, organic materials with inorganic admixtures as potential further developments for industrial production, such as rubber and silicates for car tyres of the future. Using the characteristic porosity of stone, it is also possible to determine the probability of a given type of stone’s suitability as a reservoir for crude oil. If the chemical processes take place on a sufficiently slow time scale, dynamic phenomena can also be studied, as for instance the microstructure of cement during its subsequent hardening as it absorbs water. Other applications include the microstructures of carbon fibre composite materials, whose possible uses span from present-day carbon fibre chassis to the fusion reactors of the future. One unique characteristic of neutrons is that they have a magnetic moment, which means that they can interact with magnetic structures. For the study of magnetic structures, the ultra-small-angle scattering technique with polarised neutrons was developed at the Atominstitut. The development of magnetic microstructures under changing environmental conditions can thereby be tracked. An example of this is the characterisation of soft magnetic amorphous bands, which find technical application in sensors and actuators. Georg Steinhauser Radiochemistry

Georg Steinhauser Radiochemie Als Radiochemie bezeichnet man die Chemie radioaktiver Stoffe. Sie schließt als Fachgebiet sowohl allgegenwärtige natürliche radioaktive Stoffe wie auch künstlich

Radiochemistry refers to the chemistry of radioactive materials. The field includes both omnipresent natural radioactive materials as well as artificially produced radionuclides. Radiochemistry encompasses analytical methods that employ radioactivity as well as environmental issues

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Die Methode wird dazu verwendet, um beispielsweise Kohle und kohlehaltiges Gestein in ihrer Porosität zu charakterisieren und damit auf die Kapazität zu untersuchen, als Speicher für Treibhausgase zu agieren. Gemeinsam mit der Lenzing AG haben wir im Mikrometerbereich die Ausbildung von Zellulosefasern von der Spinndüse durch das Spinnbad bis zur Fadenaufwicklung verfolgt. Ein weiteres Beispiel stellt die Mikrostruktur von Hybrid-Nanokompositen dar, organische Materialien mit anorganischen Beimischungen als potentielle Weiter­ entwicklungen zur industriellen Produktion, wie z.B. Gummi und Silikate für Autoreifen der Zukunft. Die charakteristische Porosität von Gestein erlaubt es auch, die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, mit der ein Gesteinstyp als Speicher von Erdöl in Frage kommt. Unterliegen chemische Prozesse einer genügend langsamen Zeit­skala, können auch dynamische Phänomene untersucht werden, wie etwa die Mikrostruktur von Zement während seiner Aushärtung nach Wasseraufnahme. Weitere Anwendungen sind die Mikrostrukturen von Kohlefaserverbundwerkstoffen, deren Einsatzmöglichkeiten von heu­tigen Kohlefaserchassis bis zu zukünftigen Fusionsreaktoren reichen können. Eine Besonderheit der Neutronen besteht darin, dass sie ein magnetisches Moment besitzen, wodurch sie mit magnetischen Strukturen in Wechselwirkung treten können. Zur Untersuchung magnetischer Strukturen wurde am Atominstitut der TU Wien die Methode der Ultrakleinwinkelstreuung mit polarisierten Neutronen entwickelt. Damit lässt sich die Entwicklung magnetischer Mikrostrukturen unter sich verändernden Umgebungsbedingungen nachverfolgen. Ein Beispiel dazu ist die Charakterisierung weichmagnetischer amorpher Bänder, die in Sensoren und Aktuatoren technologische Anwendung finden.

long and his or her hands would reach to the sun: an unbelievable notion! The method is used, for example, to characterise the porosity of coal and carbonaceous stone and thereby examine its capacity to serve as a storage reservoir for greenhouse gases. Together with Lenzing AG, we have followed the formation of cellulose fibres from spinneret to the winding of thread. Another example is the microstructure of hybrid nanocomposites, organic materials with inorganic admixtures as potential further developments for industrial production, such as rubber and silicates for car tyres of the future. Using the characteristic porosity of stone, it is also possible to determine the probability of a given type of stone’s suitability as a reservoir for crude oil. If the chemical processes take place on a sufficiently slow time scale, dynamic phenomena can also be studied, as for instance the microstructure of cement during its subsequent hardening as it absorbs water. Other applications include the microstructures of carbon fibre composite materials, whose possible uses span from present-day carbon fibre chassis to the fusion reactors of the future. One unique characteristic of neutrons is that they have a magnetic moment, which means that they can interact with magnetic structures. For the study of magnetic structures, the ultra-small-angle scattering technique with polarised neutrons was developed at the Atominstitut. The development of magnetic microstructures under changing environmental conditions can thereby be tracked. An example of this is the characterisation of soft magnetic amorphous bands, which find technical application in sensors and actuators. Georg Steinhauser Radiochemistry

Georg Steinhauser Radiochemie Als Radiochemie bezeichnet man die Chemie radioaktiver Stoffe. Sie schließt als Fachgebiet sowohl allgegenwärtige natürliche radioaktive Stoffe wie auch künstlich

Radiochemistry refers to the chemistry of radioactive materials. The field includes both omnipresent natural radioactive materials as well as artificially produced radionuclides. Radiochemistry encompasses analytical methods that employ radioactivity as well as environmental issues

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hergestellte Radionuklide ein. Die Radiochemie umfasst analytische Methoden, die sich der Radioaktivität bedienen, genauso wie Umweltfragestellungen zur Radioaktivität, aber auch medizinische oder technische Anwendungen, die nur dank radioaktiver Stoffe denkbar und möglich sind. Österreich blickt auf eine gleichermaßen reiche wie erfolgreiche Geschichte im Fachgebiet der Radiochemie zurück, die sich von der infolge der Entdeckung der Radioaktivität im Jahr 1896 ausgelösten Begründung dieses Forschungszweiges bis zum heutigen Tag erstreckt. Wesentlichen Anteil daran als eine international anerkannte Forschungs- und Ausbildungsinstitution hat seit Anfang der 1960er Jahre das Atominstitut, dessen TRIGA-Mark II Forschungsreaktor nach der Stilllegung des ASTRA-Reaktors in Seibersdorf am 31. Juli 1999 die einzige in Österreich verbliebene Neutronenquelle ist. Am Atominstitut wurde die Neutronenaktivierungsanalyse methodisch perfektioniert und zur Beantwortung spannender Fragestellungen verwendet. Unter dem Begriff der Neutronenaktivierungsanalyse versteht man eine analytisch-chemische Methode, mit deren Hilfe man die chemische Zusammensetzung einer zu untersuchenden Probe bestimmen kann. Die Probe wird dabei im Inneren des Forschungsreaktors mit Neutronen bestrahlt und dabei künstlich radioaktiv gemacht. Aus der Intensität und Energie der dadurch emittierten radioaktiven Strahlung lässt sich anschließend mit großer Empfindlichkeit und Genauigkeit herausfinden, welche Elemente in welcher Konzentration in der Probe vorhanden sind. Die Neutronenaktivierungsanalyse wurde und wird in der Geochemie gerne verwendet, wenn es darum geht, die Zusammensetzung von Gesteinsproben, Sedimenten oder dergleichen zu bestimmen. Mit ihrer Hilfe wurde im Jahr 1986 eine Untersuchung durchgeführt, die mittlerweile zum Schulbuchwissen für Schülerinnen und Schüler auf der ganzen Welt geworden ist. Unser unvergesslicher Fritz Grass untersuchte damals mit seinen Kollegen eine auffällige Sedimentschicht, die die Grenze zwischen den Erdzeitaltern Kreide und Tertiär darstell-

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related to radioactivity, but also medical or technical applications that are only conceivable and possible thanks to radioactive materials. Austria looks back on a rich and successful history in the field of radiochemistry that spans from the founding of this branch of research, triggered by the discovery of radioactivity in the year 1896, to the present day. The Atominstitut is an internationally recognised research and education institution that has played a significant role in the field since the 1960s. The institute’s TRIGA-Mark II research reactor is the only remaining neutron source in Austria since the ASTRA reactor in Seibersdorf was decommissioned on 31 July 1999. At the Atominstitut neutron activation analysis has been methodically perfected and used to answer exciting questions. The term neutron activation analysis refers to a chemical analysis method that makes it is possible to determine the chemical composition of an examined sample. The process involves irradiating the sample with neutrons inside of the research reactor and thereby artificially rendering the sample radioactive. From the intensity and energy of the resulting radioactive radiation that is emitted, one can determine which elements are present in the sample and at which concentrations with great sensitivity and accuracy. Neutron activation analysis was and is commonly used in geochemistry to determine the composition of rock samples, sediments, and other similar materials. A study using neutron activation analysis was performed in 1986 that has now become textbook knowledge for school students around the world. At the time, our unforgettable Fritz Grass and his colleagues studied a remarkable sediment layer that formed the border between the Cretaceous and Tertiary geologic eras. It was between these two periods of the earth’s history that the dinosaurs had suddenly disappeared from the earth. Fritz Grass wanted to know why. With the aid of neutron activation analysis, he studied sediment samples and found noticeably high concentrations of iridium – a metal that is extremely rare on earth but which is considerably more common in meteorites. From this, he and his colleagues deduced

Abb. 1: Ein in einer archäologischen Ausgrabung gefundener Bimsstein. Radiochemische Methoden verraten, von welchem Vulkan er ursprünglich stammte. Figure 1: A pumice stone found in an archaeological excavation. Radiochemical methods reveal from which volcano it originated.

te. An der Grenze zwischen diesen beiden Abschnitten der Erdgeschichte verschwanden auch die Dinosaurier schlagartig von der Erde. Fritz Grass wollte wissen, warum. Er untersuchte die Sedimentprobe mithilfe der Neutronenaktivierungsanalyse und fand auffällig hohe Konzentrationen an Iridium – einem Metall, das auf der Erde extrem selten vorkommt, in Meteoriten jedoch deutlich häufiger zu finden ist. Er und seine Kollegen schlossen daraus, dass damals ein riesiger Meteorit die Erde getroffen haben musste und nicht nur die Dinosaurier aussterben ließ, sondern eben auch eine dünne Schicht iridiumhältiger Minerale über den Erdball verteilte. Die am TRIGA Reaktor des Atominstituts verfügbare Neutronenaktivierungsanalyse ermöglicht es auch, so manche Rätsel der menschlichen Kulturgeschichte zu lösen. Diese Analysenmethode wird hierbei angewendet, um den charakteristischen Spurenelementcocktail in Bimssteinen zu bestimmen. Bimsstein ist ein vulkanisches Gestein, das aus aufgeschäumtem Glas besteht. Die Glasbläschen verleihen dem Bimsstein eine scharfkantige Struktur, die über Jahrtausende hinweg genutzt wurde, um Gegenstände zu polieren oder Waffen zu schärfen. Diese Eigenschaften als Schleifmittel machten Bimsstein zu einer begehrten Handelswahre in der Bronzezeit im östlichen Mittelmeerraum. Finden Archäologen in Ausgrabungen des Mittelmeerraumes Bimssteine in ehemaligen Werkstätten, so liefert ihnen die charakteristische Zusammensetzung der Spurenelemente die Information, von welchem „Muttervulkan“ im Mittelmeerraum sie stammen (Abb. 1). Das erlaubt den Archäologen, die Handelsbeziehungen zwischen den Völkern der Bronzezeit aufzuklären. Forscher am Atominstitut erweitern derzeit auch die „Palette“ der interessanten Objekte und arbeiten an der Zuordnung von Keramiken zu einem Herstellungsort. Wer hätte gedacht, dass ein klei-

that a giant meteorite must have struck the earth at that time, causing not only the dinosaurs to die out, but also spreading a thin layer of iridium-containing minerals around the earth. The neutron activation analysis available at the TRIGA reactor of the Atominstitut also allows many other puzzles of human civilisation to be solved. The analytical method is used here to determine the characteristic trace element cocktail of pumice stones. Pumice stone is a volcanic rock that consists of foamed glass. Small glass bubbles give the pumice stone a sharp-edged structure that has been used for millennia to polish objects and to sharpen weapons. Its properties as an abrasive material made pumice stone a sought-after commodity in the eastern Mediterranean during the Bronze Age. Whenever archaeologists find pumice stones in former workshops while excavating in the Mediterranean region, the characteristic trace element composition provides the information from which “mother volcano” in the Mediterranean region a given pumice stone originated. This allows archaeologists to ascertain the trade relations between the peoples of the Bronze Age. Researchers at the Institute of Atomic and Subatomic Physics are also currently expanding the “palette” of interesting objects and are working on revealing the place of manufacture of

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ner Forschungsreaktor Archäologen dabei helfen könnte herauszufinden, wo eine bestimmte Schale oder ein bestimmter Krug ursprünglich hergestellt worden waren? In jüngerer Zeit verschrieb sich die Radiochemie am Atominstitut speziell dem Umweltschutz. Ein Hauptaugenmerk dieser Arbeit waren unter anderem Schwermetalle in der Umwelt, die durch menschliche Aktivität freigesetzt wurden. So konnten beispielsweise die Schwermetallbelastungen in der Atemluft durch Feuerwerke quantifiziert werden und neue Methoden zur Probennahme von Aerosolen getestet werden. Ein beachtliches Ergebnis lieferte die Untersuchung von Schnee, der in der Silvesternacht 2007/2008 fiel: Er enthielt das Herzgift Barium in Konzentrationen, die rund 600-mal höher waren als normal. Barium wird in Feuerwerkskörpern verwendet, um grüne Lichterscheinungen zu erzeugen. Gar nicht „grün“ sind also die Schwermetallbelastungen, die auf ein derartiges Spektakel folgen. Noch giftiger scheinen jedoch die blauen Effekte in Feuerwerkskörpern zu sein. Die Farbe Blau ist in der Pyrotechnik eine der größten Herausforderungen. Es ist besonders schwierig, ein schönes, intensives Blau pyrotechnisch herzustellen, da die Feuerwerksartikel in einem sehr schmalen Temperaturfenster abbrennen müssen, um eine blaue Lichterscheinung zu erzeugen: Verbrennen sie bei zu niedriger Temperatur, kommt keine ausreichenden Anregung der emittierenden Substanzen zustande – und somit keine Farberscheinung; verbrennen sie zu heiß, zersetzen sich die für die Emission blauen Lichts verantwortlichen Verbindungen, wodurch die blaue Lichterscheinung radikal abnimmt. Mit Hilfe der Neutronenaktivierungsanalyse konnte kürzlich nachgewiesen werden, dass einigen Feuerwerkskörpern scheinbar verbotene Arsenverbindungen zugesetzt werden, um die blaue Farberscheinung zu intensivieren und die Spanne des akzeptablen Temperaturbereichs zu erweitern. Dieser Umstand birgt nicht nur für Konsumenten Risiken, viel mehr noch betrifft der Einsatz hochgiftiger und krebserregender Arsenverbindungen die Arbeiter und Arbeiterinnen in den Feuerwerksfabriken der dritten Welt, wo oftmals keine ausreichenden

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ceramics. Who would have thought that a small research reactor would help archaeologists determine where a given bowl or mug was originally produced? More recently, radiochemistry at the Institute of Atomic and Subatomic Physics devoted itself to environmental protection. A key area of focus of this work was, among other things, heavy metals in the environment released through human activity. In this way it has been made possible, for example, to quantify heavy metal pollution in the air caused by fireworks, and to test new methods for sampling aerosols. A study of snow that fell on New Year’s Eve 2007/2008, for example, delivered a remarkable result: it contained the heart poison barium in concentrations that were about 600 times higher than normal. Barium is used in fireworks to produce green light emissions. The heavy metal pollution that results from such a spectacle are, thus, anything but “green”. However, the blue effects in the fireworks appear to be even more toxic. The colour blue is one of the great challenges in pyrotechnics. It is especially difficult to produce an intense, beautiful blue, since the fireworks need to combust within a very narrow temperature range in order to produce a blue light emission: if they combust at too low a temperature, the substances emitted are insufficiently activated and thus no colour appears. If they burn too hot, the compounds responsible for emitting blue light break down, causing a drastic decrease in the blue light emission. With the help of neutron activation analysis, it was recently possible to verify that prohibited arsenic additives have been added to some fireworks to intensify the blue colours and to expand the acceptable temperature range. The use of these chemicals not only puts consumers at great risk, the use of highly toxic and carcinogenic arsenic compounds has even greater effects on workers in the fireworks factories of the Third World, where there are often highly insufficient protective measures available. Anyone who speaks of environmental protection and radioactivity will, of course, recall the reactor disasters of Chernobyl and Fukushima. After both accidents, the radiochemists of the Institute of Atomic and Subatomic Physics proved to be reliable and neutral sources of

Abb. 2: Der Autor (dzt. Colorado State University) bei der Entnahme einer hochkontaminierten Bodenprobe in nächster Nähe der Reaktoren von Fukushima. Figure 2: The author (currently at Colorado State University) collecting a highly contaminated soil sample at close range to the Fukushima reactors.

Schutzmaßen zur Verfügung stehen. Wer von Umweltschutz und Radioaktivität spricht, wird naturgemäß an die Reaktorkatastrophen von Tschernobyl und Fukushima erinnert. Nach beiden Unfällen erwiesen sich die Radiochemiker des Atominstituts als verlässliche und neutrale Auskunftspersonen für Behörden oder besorgte Privatpersonen. Sowohl nach Tschernobyl als auch nach Fukushima waren die Radiochemiker des Atominstituts so rasch wie möglich vor Ort, um Proben zu nehmen und sich direkt ein Bild von der Situation zu machen. Die Bevölkerung nahm nach beiden Unfällen das Angebot des Atominstituts gerne in Anspruch, sich bei den neutralen Experten zu informieren. Während diese Kommunikation nach Tschernobyl noch entweder telefonisch oder per Briefwechsel stattfand, wurde nach Fukushima spontan ein Info-Center eingerichtet, wo Mitarbeiterinnen, Mitarbeiter und Studierende unter Einsatz aller verfügbaren modernen Medien auf die Sorgen der Bevölkerung eingingen. Diese auch international vielbeachtete Tätigkeit führte sogar dazu, dass der Radiochemie des Atominstituts Lebensmittelproben aus Japan zugesandt wurden, um sie von einer unabhängigen Einrichtung auf Kontaminationen überprüfen zu lassen (Abb. 2). Hans Sterba Archäometrie Archäometrie, die Anwendung physikalisch-naturwissenschaftlicher Methoden auf Fragestellungen aus der Archäologie, kann Antworten auf die wesentliche Fragen – Wo?, Wie?, Warum? und Wann? – geben. Naturwissenschaftlich fundierte Antworten auf diese Fragen ermöglichen unseren Kollegen aus der Archäologie we-

information for authorities and concerned private individuals. After Chernobyl as well as Fukushima, the radiochemists of the institute were on site as quickly as possible to collect samples and to directly assess the situation for themselves. The populace gladly took the Institute of Atomic and Subatomic Physics up on its offer to provide information as neutral experts following both accidents. While this communication took place either via telephone or by letters after Chernobyl, an info centre was spontaneously set up after Fukushima, where employees and students made use of all available modern media to respond to the concerns of the population. This internationally highly regarded action even resulted in food samples being sent from Japan to the Radiochemistry group of the Atominstitut to have them inspected for contamination by an independent body.

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Johannes H. Sterba Archaeometry

Abbildung 1: „Chemischer Fingerabdruck“ einer archäologischen Bimssteinprobe (G2) im Vergleich zur natürlichen Elementerteilung einer Eruption des Mt. Pilato auf den äolischen Inseln aus den letzten 10 000 Jahren. Auf der vertikalen Achse sind die relativen Konzentrationen der einzelnen Elemente aufgetragen. Figure 1: Chemical fingerprint of an archaeological pumice sample (G2) compared to the natural scatter of an eruption of Mt. Pilato from the last 10,000 years from the Aeolian Islands in Italy. In the figure, the concentrations of the individual elements are listed on the Y-axis; the measured elements are on the X-axis. The pattern that results is referred to as a chemical fingerprint.

sentlich fundiertere Interpretationen ihrer Funde. Am Atominstitut der TU Wien hat die Archäometrie langjährige Tradition, ausgehend von Entwicklungen in der Thermolumineszenz-Datierung in den 1980er Jahren der Gruppe um Norbert Vana, über die Herkunftsbestimmung von geologisch-archäologischen Artefakten mit modernen Analysemethoden am Ende der 1990er Jahre unter Max Bichler, bis zur aktuellen Forschung an keramischen Fundstücken mit Hilfe der Neutronen-Aktivierungsanalyse. Herkunftsbestimmung – der chemische Fingerabdruck Archäologische Artefakte haben meist ihren Ursprung in geologischem Material, sei es ein Faustkeil aus Feuerstein, eine Klinge aus Obsidian, Bimsstein als Schleifmittel oder Keramik aus Tonvorkommen. In all diesen Fällen ist zu erwarten, dass sich durch die Verwendung durch

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Archaeometry, the application of physical and natural science methods to questions from the field of archaeology, can provide answers to the key questions: where, how, why, and when. Scientifically based answers to these questions allow our archaeological colleagues to make much more informed interpretations of their artefacts. At the Atominstitut, archaeometry has a long-standing tradition, beginning with developments in thermoluminescence in the 1980s by a group directed by Norbert Vana, to the determination of the origin of geological and archaeological artefacts with modern analysis methods in the late 1990s under Max Bichler, to current research on ceramic artefacts with the help of neutron activation analysis. Origin Provenance – The Chemical Fingerprint Archaeological artefacts usually originate from geologic material, be it a hand axe made of flint, a blade of obsidian, pumice as an abrasive material, or ceramics made from clay deposits. In all of these cases, it can be expected that the use of our processes result in no significant changes to the chemical composition of the source material. The chemical composition of geologic materials is, however, greatly influenced by their genesis and, in most cases, is characteristic of an individual deposit. This characteristic is, however, not determined by the principal elements such as silicon, oxygen, potassium, and sodium, but is instead characterised much more strongly by trace elements, especially rare earths (lanthanides). Thus, if it were possible to determine a large number of relevant elements in a sample, a chemical fingerprint could be collected that would allow comparisons to be drawn between a source material and an archaeological artefact. Neutron activation analysis has been used since the 1970s to perform such determinations of the elementary composition of a sample. Neutron activation analysis is a radiochemical process that implements the

Johannes H. Sterba Archaeometry

Abbildung 1: „Chemischer Fingerabdruck“ einer archäologischen Bimssteinprobe (G2) im Vergleich zur natürlichen Elementerteilung einer Eruption des Mt. Pilato auf den äolischen Inseln aus den letzten 10 000 Jahren. Auf der vertikalen Achse sind die relativen Konzentrationen der einzelnen Elemente aufgetragen. Figure 1: Chemical fingerprint of an archaeological pumice sample (G2) compared to the natural scatter of an eruption of Mt. Pilato from the last 10,000 years from the Aeolian Islands in Italy. In the figure, the concentrations of the individual elements are listed on the Y-axis; the measured elements are on the X-axis. The pattern that results is referred to as a chemical fingerprint.

sentlich fundiertere Interpretationen ihrer Funde. Am Atominstitut der TU Wien hat die Archäometrie langjährige Tradition, ausgehend von Entwicklungen in der Thermolumineszenz-Datierung in den 1980er Jahren der Gruppe um Norbert Vana, über die Herkunftsbestimmung von geologisch-archäologischen Artefakten mit modernen Analysemethoden am Ende der 1990er Jahre unter Max Bichler, bis zur aktuellen Forschung an keramischen Fundstücken mit Hilfe der Neutronen-Aktivierungsanalyse. Herkunftsbestimmung – der chemische Fingerabdruck Archäologische Artefakte haben meist ihren Ursprung in geologischem Material, sei es ein Faustkeil aus Feuerstein, eine Klinge aus Obsidian, Bimsstein als Schleifmittel oder Keramik aus Tonvorkommen. In all diesen Fällen ist zu erwarten, dass sich durch die Verwendung durch

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Archaeometry, the application of physical and natural science methods to questions from the field of archaeology, can provide answers to the key questions: where, how, why, and when. Scientifically based answers to these questions allow our archaeological colleagues to make much more informed interpretations of their artefacts. At the Atominstitut, archaeometry has a long-standing tradition, beginning with developments in thermoluminescence in the 1980s by a group directed by Norbert Vana, to the determination of the origin of geological and archaeological artefacts with modern analysis methods in the late 1990s under Max Bichler, to current research on ceramic artefacts with the help of neutron activation analysis. Origin Provenance – The Chemical Fingerprint Archaeological artefacts usually originate from geologic material, be it a hand axe made of flint, a blade of obsidian, pumice as an abrasive material, or ceramics made from clay deposits. In all of these cases, it can be expected that the use of our processes result in no significant changes to the chemical composition of the source material. The chemical composition of geologic materials is, however, greatly influenced by their genesis and, in most cases, is characteristic of an individual deposit. This characteristic is, however, not determined by the principal elements such as silicon, oxygen, potassium, and sodium, but is instead characterised much more strongly by trace elements, especially rare earths (lanthanides). Thus, if it were possible to determine a large number of relevant elements in a sample, a chemical fingerprint could be collected that would allow comparisons to be drawn between a source material and an archaeological artefact. Neutron activation analysis has been used since the 1970s to perform such determinations of the elementary composition of a sample. Neutron activation analysis is a radiochemical process that implements the

unsere Vorfahren die chemische Zusammensetzung der Quelle, des Ausgangsmaterials nicht wesentlich verändert. Die chemische Zusammensetzung von geologischen Materialien ist aber stark durch deren Genese beeinflusst und in den meisten Fällen charakteristisch für einzelne Vorkommen. Diese Charakteristik ist allerdings nicht in den Hauptelementen wie Silizium, Sauerstoff, Kalium und Natrium bestimmt, sondern wird vielmehr durch die Spurenelemente, insbesondere die Seltenen Erden (Lanthanoide) geprägt. Wenn es also möglich wäre, eine große Zahl von relevanten Elementen in einer Probe zu bestimmen, könnte so ein chemischer Fingerabdruck aufgenommen werden, der den Vergleich zwischen einem Ausgangsmaterial und einem archäologischen Artefakt ermöglicht. Um eine solche Bestimmung der elementaren Zusammensetzung einer Probe durchzuführen, wird seit den 1970er Jahren die Neutronen-Aktivierungsanalyse angewendet. Dies ist ein radiochemisches Verfahren, das sich die Tatsache zu Nutze macht, dass radioaktive Strahlung sehr einfach und gut nachweisbar ist. Dazu wird die zu untersuchende Probe in einem Reaktor mit Neutronen bestrahlt. Es kommt dadurch zu Kernreaktionen, die aus den stabilen Isotopen in der Probe Radioisotope bilden. Nach der Bestrahlung kann diese induzierte Radioaktivität mit einfachen Mitteln gemessen werden. Meist erfolgen solche Messungen mit einem Gamma-Spektrometer, das den Nachweis und die einfache Identifizierung vieler Radionuklide in einem einzigen Messvorgang ermöglicht. Die Energie der Strahlung dient dabei zur Identifikation der Radionuklide während die Intensität der Strahlung ein Maß für deren Häufigkeit darstellt. Mit den am Atominstitut entwickelten Routineverfahren können so in einem Messvorgang 25–30 Elemente in einer Probe bestimmt werden. Man erhält einen „Chemischen Fingerabdruck“. Mit Hilfe des in Abb. 1 dargestellten chemischen Fingerabdrucks eines Bimssteins aus einer archäologischen Grabung in Ägypten und seinem Vergleich mit dem einer Eruption des Mt. Pilato auf den äolischen Inseln in Italien kann gezeigt werden, dass die Probe ihren Ursprung

fact that radioactive radiation is very easily and reliably verified. For this purpose, the sample to be examined is irradiated with neutrons in a reactor. This causes nuclear reactions that form radioisotopes from the stable isotopes in the sample. Following irradiation, the induced radioactivity can be measured using simple methods. Such measurements are usually performed with a gamma spectrometer, which can detect and easily identify many radionuclides in a single measurement procedure. The energy of the radiation is used to identify the radionuclides, whereas the intensity of the radiation is a measure of their concentration in the sample. Using the routine procedure developed at the Atominstitut, a single measurement process can identify 25–30 elements in a sample, thus obtaining a chemical fingerprint. With the help of the chemical fingerprint of a pumice stone found in an archaeological excavation in Egypt shown in Fig. 1, and a comparison with the chemical fingerprint of an eruption of Mt. Pilato on the Aeolian Islands in Italy, it can be shown that the sample has its origin in Italy and was probably brought to Egypt as an abrasive material through trade routes. Verification of a trade relationship over such a great distance, which can be dated to the end of the Bronze Age, is proof of the unique achievements made possible through the combination of the natural sciences and humanities. In recent years, a database of the chemical fingerprints of all major volcanic eruptions in the Mediterranean region has been created. Using this database, it was possible to assign points of origin to more than 200 finds from archaeological excavations in Greece and Egypt. The chemical fingerprint technique of provenancing is currently being tested on ceramics (see Fig. 2). Because the tempers used by the potter generally change the raw material of ceramics, a direct comparison with the chemical fingerprints of clay deposits is not useful. In this case, statistical methods must be used to compensate for the effects of the mixing. A large part of the scatter caused by the mixing can thereby be subtracted

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in Italien hatte und, wahrscheinlich als Schleifmittel, auf Handelswegen nach Ägypten gebracht wurden. Ein Nachweis einer Handelsbeziehung über eine so große Distanz, die zeitlich am Ende der Bronzezeit einzuordnen ist, ist ein Beleg für die einzigartigen Leistungen, die die Kombination von Natur- und Geisteswissenschaften zu bringen vermögen. In den letzten Jahren wurde eine Datenbank mit den chemischen Fingerabdrücken von allen großen vulkanischen Eruptionen im Mittelmeerraum angelegt. Mit dieser Datenbank war es möglich, über 200 Funde aus archäologischen Grabungen aus Griechenland und Ägypten ihren Ursprungsorten zuzuordnen. Aktuell wird die Technik der Herkunftsbestimmung mittels chemischem Fingerabdruck an Keramiken versucht (Abb. 2). Da der Rohstoff für Keramiken aber im Allgemeinen durch Schlemmen und Magern vom Töpfer verändert wird, ist der direkte Vergleich mit chemischen Fingerabdrücken von Tongruben nicht zielführend. Es müssen hier komplexe statistische Verfahren angewendet werden, die den Einfluss der Magerung kompensieren zu können. Erst dadurch wird eine Gruppierung der Keramiken möglich, die den Archäologen wichtige Hinweise auf Produktionsweise und –Ort liefern. Herbert Störi Tribologie Tribologie ist die Lehre von Reibung und Verschleiß. Die Phänomene Reibung und Verschleiß sind den Menschen spätestens seit der Erfindung des Rades bekannt und Schmierung als teilweise Abhilfe dürfte wohl ebenso lange bekannt sein. Die wissenschaftliche Erforschung dieser Phänomene hat allerdings erst in den letzten Jahrzehnten eingesetzt. Wir sind am COMET K2-Zentrum XTribologie beteiligt, welches sich der Forschung und Entwicklung im Bereich Tribologie widmet. Reibung und Verschleiß sind allgemein bekannte Phänomene, ebenso wie Schmierung als Abhilfe. Sprichworte wie „Wer gut schmiert, fährt gut“ oder der Begriff „Schmiergeld“ bezeugen dies. Schmiergeld wurde ursprünglich an den Knecht gegeben, der die Achsen der

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Abb. 2: Sue-Keramik aus Japan aus einer aktuellen Studie. Figure 2: Sue ceramics from Japan from a current study of the author.

from the dataset and the corrected data subjected to further statistical analysis. This makes it possible to group the ceramics, providing important information about production methods and location. Herbert Störi Tribology Tribology is the study of friction and wear. Humans have been aware of the phenomena of friction and wear at least since the invention of the wheel, and they have likely known of lubrication for nearly just as long. The scientific research of these phenomena has, however, only really taken root in recent decades. We are involved in the XTribology COMET K2 Centre, which is dedicated to research and development in the field of tribology.

in Italien hatte und, wahrscheinlich als Schleifmittel, auf Handelswegen nach Ägypten gebracht wurden. Ein Nachweis einer Handelsbeziehung über eine so große Distanz, die zeitlich am Ende der Bronzezeit einzuordnen ist, ist ein Beleg für die einzigartigen Leistungen, die die Kombination von Natur- und Geisteswissenschaften zu bringen vermögen. In den letzten Jahren wurde eine Datenbank mit den chemischen Fingerabdrücken von allen großen vulkanischen Eruptionen im Mittelmeerraum angelegt. Mit dieser Datenbank war es möglich, über 200 Funde aus archäologischen Grabungen aus Griechenland und Ägypten ihren Ursprungsorten zuzuordnen. Aktuell wird die Technik der Herkunftsbestimmung mittels chemischem Fingerabdruck an Keramiken versucht (Abb. 2). Da der Rohstoff für Keramiken aber im Allgemeinen durch Schlemmen und Magern vom Töpfer verändert wird, ist der direkte Vergleich mit chemischen Fingerabdrücken von Tongruben nicht zielführend. Es müssen hier komplexe statistische Verfahren angewendet werden, die den Einfluss der Magerung kompensieren zu können. Erst dadurch wird eine Gruppierung der Keramiken möglich, die den Archäologen wichtige Hinweise auf Produktionsweise und –Ort liefern. Herbert Störi Tribologie Tribologie ist die Lehre von Reibung und Verschleiß. Die Phänomene Reibung und Verschleiß sind den Menschen spätestens seit der Erfindung des Rades bekannt und Schmierung als teilweise Abhilfe dürfte wohl ebenso lange bekannt sein. Die wissenschaftliche Erforschung dieser Phänomene hat allerdings erst in den letzten Jahrzehnten eingesetzt. Wir sind am COMET K2-Zentrum XTribologie beteiligt, welches sich der Forschung und Entwicklung im Bereich Tribologie widmet. Reibung und Verschleiß sind allgemein bekannte Phänomene, ebenso wie Schmierung als Abhilfe. Sprichworte wie „Wer gut schmiert, fährt gut“ oder der Begriff „Schmiergeld“ bezeugen dies. Schmiergeld wurde ursprünglich an den Knecht gegeben, der die Achsen der

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Abb. 2: Sue-Keramik aus Japan aus einer aktuellen Studie. Figure 2: Sue ceramics from Japan from a current study of the author.

from the dataset and the corrected data subjected to further statistical analysis. This makes it possible to group the ceramics, providing important information about production methods and location. Herbert Störi Tribology Tribology is the study of friction and wear. Humans have been aware of the phenomena of friction and wear at least since the invention of the wheel, and they have likely known of lubrication for nearly just as long. The scientific research of these phenomena has, however, only really taken root in recent decades. We are involved in the XTribology COMET K2 Centre, which is dedicated to research and development in the field of tribology.

Kutsche vor der Abfahrt schmierte, damit diese während der Fahrt nicht quietschten. Es ist eigentlich verwunderlich, dass ein so altbekanntes Phänomen in der heutigen Zeit weitgehend auf empirischer Basis beschrieben wird. Gleiches gilt für die Formulierung von Schmierstoffen, wo Mixturen geheimer Zusammensetzung, sogenannte Additiv-Pakete, welche den Ölen zugesetzt werden, nach wie vor den Markt dominieren. Bei der Gründung der AC2T Research GmbH, der Trägerorganisation des ehemaligen Kplus-Zentrums Tribologie und nunmehr des COMET K2-Zentrums XTribologie, war neben der industriellen Forschung und Entwicklung die Grundlagenforschung ein wesentliches Anliegen. Die TU Wien ist an AC2T beteiligt und auch wesentlicher wissenschaftlicher Partner. Die Physik spielt dabei eine wesentliche Rolle. Insbesondere wird oder wurde an folgenden Fragestellungen gearbeitet: Beschreibung des Reibungskontaktes auf atomarer Ebene samt Kopplung dieser Betrachtung mit makroskopischen Modellen auf Basis von Kontinuums-Mechanik. Grundsätzliches Problem ist hier, dass elementare Kräfte durch Potentiale beschrieben werden und daher dissipative Phänomene wie Reibung nicht beschreiben können. Phänomene im Mikrokosmos sind reversibel. Sie kennen weder Entropie noch Reibung, und die Zeit ist umkehrbar. Auch die klassische Mechanik kennt keine Dissipation. Es stellt sich heraus, dass Reibung nur durch die Beteiligung sehr vieler Atome entstehen kann. In diesem Fall gibt es auch ungeordnete Energie (Wärme) und Entropie. Ziel dieser Zusammenarbeit ist die Erstellung theoretischer und numerischer Modelle reibender Systeme auf mehreren Größenskalen von der atomarer Ebene bis zur makroskopischen Betrachtung. Es konnte gezeigt werden, dass derartige Berechnungen Reibungssysteme inklusive Schmierstoff realistisch beschreiben und daher einen wesentliche Beitrag zum grundlegenden Verständnis der Reibung liefern. Untersuchung von monomolekularen Schmierstoffschichten auf Oberflächen: Mit Methoden der Oberflächenanalytik, insbesondere XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) und AFM (Atomic Force Microscopy) wur-

Friction and wear are well-known phenomena, as is the use of lubrication for relief. Phrases such as “greasing palms is good for business” or the term “grease money” demonstrate this. Grease money was originally given to the servant to lubricate the axles of the coach before departure so that they didn’t squeak during the trip. It is actually quite surprising that such an age-old phenomenon is today still described largely on an empirical basis. The same holds true for lubricant formulas, where mixtures of secret composition, so-called additive packets, are added to the oils, continuing to dominate the market. With the establishment of AC2T Research GmbH, the host organisation of the former Kplus Centre for Tribology and now the XTribology COMET K2 Centre, a key objective was basic research, in addition to industrial research and development. The TU Wien is part of the AC2T and is one of the main scientific partners. Physics plays an important role; in particular, work is or was being done on the following topics: Description of frictional contact on an atomic level, including coupling these descriptions with macroscopic models on the basis of continuum mechanics: The fundamental problem here is that elementary forces are described through potentials and cannot, therefore, describe dissipative phenomena such as friction. Phenomena in the micro-cosmos are reversible. They know neither entropy nor friction and time is reversible. Classical mechanics likewise knows no dissipation. It turns out that friction can only occur through the participation of a great number of atoms. In this case, there is also disorderly energy (heat) and entropy. The objective of this collaboration is the creation of theoretical and numerical models of frictional systems on several scales of size, from the atomic to the macroscopic level. It has been possible to show that such calculations can be used to realistically describe frictional systems, including lubricants, and thus provide an important contribution to our fundamental understanding of friction. The study of monomolecular lubricant layers on surfaces: The accumulation of lubricant molecules on sur-

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de die Anlagerung von Schmierstoff-Molekülen an Oberflächen beobachtet. Das gibt in Zusammenhang mit chemischen Überlegungen Hinweise auf die Funktion von Schmierstoff-additiven. Elektrische Schäden an Wälzlagern: Dies ist ein ganz neues Phänomen, das im Zusammenhang mit elektronisch gesteuerten Elektromotoren aller Größen auftritt. Durch die steilen Spannungsflanken an den Spulen des Motors treten Verschiebungsströme auf, die über die Motorlager abfließen und dort kleine Schäden hinterlassen, die nach einiger Zeit zur Zerstörung des Lagers führen. Es ist gelungen, das Problem durch elektronische Maßnahmen weitgehend zu eliminieren. In Zusammenarbeit zwischen AC2T und TU wurden in den letzten Jahren neuartige und verbesserte Messmethoden zur Charakterisierung tribologischer Systeme entwickelt: •• Nanometer-Verschleißmessung mit Radionukliden: Die Methode ist eigentlich seit langer Zeit bekannt. Durch sorgfältige Auslegung des Messsystems ist es allerdings gelungen, mit Aktivitäten unterhalb der für den Umgang mit radioaktiven Substanzen geltenden gesetzlichen Freigrenze das Auslangen zu finden. Die Methode erlaubt die laufende Beobachtung des Verschleißes in Labor-Tribometern und im praktischen Einsatz, etwa in Fahrzeugen. Das Auflösungsvermögen der Messung liegt unter 1 nm/h. Durch diese Methode wird die Dynamik des Verschleißes inklusive Einlaufverhalten, etwa beim System Zylinder-Kolbenring messbar. •• Dunkelfeldmessung zur Detektion von Kratern auf polierten Oberflächen: Die Dunkelfeld-Methode aus der klassischen optischen Mikroskopie wurde mit Hilfe moderner Lichtquellen, Kameras und Methoden der Bildverarbeitung zur Inspektion großer hochpolierter Flächen eingesetzt, wobei auf Flächen von mehreren Quadratmetern Kratzer mit Breiten und Tiefen im Bereich von 100 Nanometern dargestellt werden können. Die theoretische Grundlage ist die seit Anfang des 20. Jahrhunderts bekannte Theorie der Mie-Streuung. •• Akustische Emission: Akustische Emission wird seit Jahrzehnten zur Beobachtung der Rissausbreitung in

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faces was observed using methods taken from surface analysis, in particular XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) and AFM (Atomic Force Microscopy). In conjunction with chemical considerations, this provides information on the functionality of lubricant additives. Electrical damage to roller bearings: this is an entirely new phenomenon that occurs in combination with electronically controlled electric motors of all sizes. Due to the steep voltage edges on the coils of the motor, displacement currents flow through the motor bearings, where they leave behind minor damages that lead to the destruction of the bearing over time. Electronic measures have made it possible to largely eliminate the problem. Through collaboration between AC2T and the TU Wien, novel and improved methods for characterising tribologic systems have been developed in recent years: •• Nanometre wear measurement with radionuclides: the method has actually been well known for quite some time. Through careful design of the measurement system, it has been possible to address the topic with activities below the legal limit for working with radioactive substances. The method permits the ongoing observation of wear in laboratory tribometers and in practical use, e.g., in vehicles. The measurement resolution capacity is less than 1 nanometre per hour. Using this method, wear, including run-in behaviour such as with the cylinder – piston ring system, can be measured. •• Dark-field measurement for the detection of craters on polished surfaces: the dark-field method from classical optical microscopy was used with the aid of modern light sources, cameras, and methods for image processing to inspect large, highly polished surfaces. In doing so, it is possible to show scratches with widths and depths in the range of 100 nanometres on surfaces measuring several square meters. The theoretical basis is the theory of Mie scattering, known since the early 20th century. •• Acoustic emission: acoustic emission has been used for decades to observe crack propagation in materials. One example is the monitoring of dams by means

Abb. 1: Typ. Anwendung eines Tribometers (Nachstellung eines Stahlrad-Schiene Kontakts): Eine Stahlrolle rollt unter Last auf einem Stück Schiene hin und her, um die Schädigung der Schiene und auch des Rades zu untersuchen. Kleine, unter der Schiene liegende Ultraschallmikrofone detektieren die akustische Emission beim Ausbruch einzelner Verschleißpartikel. Figure 1: Wheel-rail test bench. On the piece of rail that can be seen, a roller placed under load rolls back and forth to study the damage to the rail as well as to the wheel caused by the rolling contact. Acoustic emission detects the excavation of individual wear particles. The ultrasonic microphones, small by their very nature, are located beneath the rail and are not visible

Materialien eingesetzt. Ein Beispiel ist die Überwachung von Staumauern durch einbetonierte Mikrofone. Bildet sich ein Riss im Beton, werden Spannungen abgebaut und die freiwerdende Energie wird teilweise als akustische Welle emittiert. Diese Methode wurde zur Beobachtung des Ausbruchs einzelner Verschleißpartikel bei tribologischen Experimenten adaptiert (Abb. 1). Durch die stark reduzierte Größe des Versuchsobjekts liegt die typische Frequenz hier im Megahertz-Bereich, während die emittierte Energie sehr gering ist. Durch Methoden der Signalverarbeitung gelingt eine eindeutige Detektion einzelner Verschleißereignisse. Christina Streli, Peter Wobrauschek Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie Bei „Röntgenstrahlung“ denkt man meist zuerst an die Röntgengeräte im Krankenhaus, die aber lediglich die unterschiedliche Transparenz verschiedener Gewebe – wie etwa Haut und Knochen – zur Erzeugung eines Bildkontrasts ausnutzen. Die über viele Jahre entwickelten und kontinuierlich verbesserten Methoden der Röntgenspektroskopie haben tatsächlich viel mehr zu bieten und dementsprechend in ganz unterschiedlichen Forschungsbereichen Einzug gehalten: Von der Archäologie bis zur Nanoelektronik, von der Kunstgeschichte bis zur Materialwissenschaft und Umweltanalytik.

of microphones encased in concrete. If a crack forms in the concrete, tension is relieved, and part of the released energy is emitted as an acoustic wave. This method was adapted to observe the excavation of individual wear particles during tribologic experiments. Due to the greatly reduced size of the test object, the typical frequency here lies in the megahertz range and the emitted energy is very low. Using signal processing methods, it is possible to clearly detect individual occurrences of wear. Christina Streli, Peter Wobrauschek X-Ray Fluorescence Spectroscopy When one thinks of “X-ray radiation”, one usually thinks first of the X-ray machines in hospitals, which use the varying transparency of different types of tissue – such as skin and bones – to produce an image contrast. X-ray spectroscopy methods, which have been developed and constantly improved over the course of many years, actually have a great deal more to offer and, as a result, find use in a wide range of research areas: from archaeology to nanoelectronics, from art history to materials science, and environmental analysis. If one excites the orbital electrons of atoms by irradiating them with polychromatic X-ray radiation, the quantum jumps of the electrons thereby induced result

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Abb. 1: Typ. Anwendung eines Tribometers (Nachstellung eines Stahlrad-Schiene Kontakts): Eine Stahlrolle rollt unter Last auf einem Stück Schiene hin und her, um die Schädigung der Schiene und auch des Rades zu untersuchen. Kleine, unter der Schiene liegende Ultraschallmikrofone detektieren die akustische Emission beim Ausbruch einzelner Verschleißpartikel. Figure 1: Wheel-rail test bench. On the piece of rail that can be seen, a roller placed under load rolls back and forth to study the damage to the rail as well as to the wheel caused by the rolling contact. Acoustic emission detects the excavation of individual wear particles. The ultrasonic microphones, small by their very nature, are located beneath the rail and are not visible

Materialien eingesetzt. Ein Beispiel ist die Überwachung von Staumauern durch einbetonierte Mikrofone. Bildet sich ein Riss im Beton, werden Spannungen abgebaut und die freiwerdende Energie wird teilweise als akustische Welle emittiert. Diese Methode wurde zur Beobachtung des Ausbruchs einzelner Verschleißpartikel bei tribologischen Experimenten adaptiert (Abb. 1). Durch die stark reduzierte Größe des Versuchsobjekts liegt die typische Frequenz hier im Megahertz-Bereich, während die emittierte Energie sehr gering ist. Durch Methoden der Signalverarbeitung gelingt eine eindeutige Detektion einzelner Verschleißereignisse. Christina Streli, Peter Wobrauschek Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie Bei „Röntgenstrahlung“ denkt man meist zuerst an die Röntgengeräte im Krankenhaus, die aber lediglich die unterschiedliche Transparenz verschiedener Gewebe – wie etwa Haut und Knochen – zur Erzeugung eines Bildkontrasts ausnutzen. Die über viele Jahre entwickelten und kontinuierlich verbesserten Methoden der Röntgenspektroskopie haben tatsächlich viel mehr zu bieten und dementsprechend in ganz unterschiedlichen Forschungsbereichen Einzug gehalten: Von der Archäologie bis zur Nanoelektronik, von der Kunstgeschichte bis zur Materialwissenschaft und Umweltanalytik.

of microphones encased in concrete. If a crack forms in the concrete, tension is relieved, and part of the released energy is emitted as an acoustic wave. This method was adapted to observe the excavation of individual wear particles during tribologic experiments. Due to the greatly reduced size of the test object, the typical frequency here lies in the megahertz range and the emitted energy is very low. Using signal processing methods, it is possible to clearly detect individual occurrences of wear. Christina Streli, Peter Wobrauschek X-Ray Fluorescence Spectroscopy When one thinks of “X-ray radiation”, one usually thinks first of the X-ray machines in hospitals, which use the varying transparency of different types of tissue – such as skin and bones – to produce an image contrast. X-ray spectroscopy methods, which have been developed and constantly improved over the course of many years, actually have a great deal more to offer and, as a result, find use in a wide range of research areas: from archaeology to nanoelectronics, from art history to materials science, and environmental analysis. If one excites the orbital electrons of atoms by irradiating them with polychromatic X-ray radiation, the quantum jumps of the electrons thereby induced result

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Abb. 1: Untersuchung von Cellinis berühmtem Salzfass „Saliera“ mit einem am Atominstitut entwickelten tragbaren Röntgenfluoreszenz-Analysator. Figure1: Examining Cellini’s famous Saliera saltcellar with a portable X-ray fluorescence analyser developed at the Atominstitut.

Regt man die Hüllelektronen von Atomen durch Bestrahlung mit polychromatischer Röntgenstrahlung an, so führen die dadurch induzierten Quantensprünge der Elektronen zur Aussendung von Röntgenstrahlen, deren Wellenlängen für jede Atomsorte charakteristisch sind. Anhand dieser Fluoreszenzstrahlung kann daher ermittelt werden, welche Elemente in einer Probe in welcher Menge enthalten sind. Mit modernen Röntgenquellen und Detektoren ist es auch möglich, die Probe mit einem ultrafeinen Strahl zu scannen und auch die lokale Verteilung der in ihr enthaltenen Elemente zu bestimmen. Der große Vorteil dieser sogenannten Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie, die mittels tragbarer Geräte vielfach auch unmittelbar vor Ort durchgeführt werden kann, liegt darin, dass sie vollkommen zerstörungsfrei erfolgt. Ihre Anwendungsmöglichkeiten sind so breit gestreut, dass es heute in der Röntgen-Spektroskopie auch eine riesengroße Palette unterschiedlicher Geräte gibt: In großen Teilchenbeschleunigern, sogenannten Synchrotrons, werden hochenergetische Röntgenstrahlen erzeugt, mit denen Messungen mit einer Ortsauflösung im Nanometerbereich und Nachweisgrenzen im Ultraspurenelementbereich von 1 ng/g möglich sind, was vereinfacht dem Erkennen einer einzigen weißen

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in the emission of X-rays, which have a characteristic wavelength for each type of atom. Using this fluorescence radiation, it is therefore possible to determine which elements are present in a sample and in which quantities. Using modern X-ray sources and detectors, it is also possible to scan the sample with an ultrafine beam and to determine the local distribution of the elements contained in it. The big advantage of this socalled X-ray fluorescence spectroscopy, which can often be performed directly on-site using portable devices, is that it is absolutely non-destructive. Fig. 1 shows a view into the open measurement chamber of a typical X-ray fluorescence spectrometer. The potential applications of X-ray spectroscopy are so broad that there is an enormous selection of different devices today: in large particle accelerators, so-called synchrotrons, highly energetic X-rays are produced that can be used to perform measurements with a local resolution in the nanometre range and detection limits in the ultra-trace element range of 1 ng/g. In simple terms, this is equivalent to the detection of a single white ball among one billion black balls. Entirely new insights into topics such as the biochemical processes of living cells are thereby made possible. Using X-ray florescence spectroscopy on synchrotron radiation sources, a three-dimensional analysis of tissue and bones can be realised, thereby answering a whole series of medical questions: Have harmful substances been deposited in the bones? How does nutrition affect bone deposits? In what chemical combinations do the deposited atoms occur? X-ray spectroscopic methods are of increasing importance not only in medicine and biology, but also in environmental research, materials science, and nanotechnology. For many applications, however, small portable X-ray spectroscopes are also needed – such as for non-destructive testing in archaeology and art history. To analyse the colour pigments of a work of art, for example, it is not necessary to scratch off small particles; results can instead be obtained simply by properly irradiating them. Portable X-ray spectroscopes can also be used in industry and in environmental protection, e.g., to examine the

Kugel unter 1 Milliarde schwarzer Kugeln entspricht. Damit lassen sich etwa völlig neue Erkenntnisse über die biologisch-chemischen Vorgänge in lebenden Zellen gewinnen. Mittels Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie an Synchrotron-Strahlungsquellen ist eine dreidimensionale Analyse von Gewebe und Knochen realisierbar, wodurch sich eine Reihe von medizinischen Fragen beantworten lassen: Haben sich Schadstoffe in den Knochen eingelagert? Wie wirkt sich die Ernährung auf Knochen-Einlagerungen aus? In welcher chemischen Verbindung kommen die eingelagerten Atome vor? Aber nicht nur in Medizin und Biologie, sondern auch in Umweltforschung, Materialwissenschaft und Nanotechnologie sind solche röntgenspektroskopischen Methoden zunehmend von Bedeutung. Für viele Anwendungen benötigt man allerdings auch kleine, transportable Röntgen-Spektroskope – etwa für zerstörungsfreie Untersuchungen in der Archäologie oder der Kunstgeschichte. Solche tragbaren Röntgen-Spektroskope können auch in der Industrie oder im Umweltschutz eingesetzt werden, etwa um Inhaltsstoffe von giftigem Müll unmittelbar vor Ort zu untersuchen, oder zu überprüfen, ob ein Spielzeug schädliche Substanzen enthält – röntgenspektroskopische Methoden führen nahezu immer zu einem raschen und eindeutigen Ergebnis. Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie wird von uns in einer Reihe interdisziplinärer Gebiete eingesetzt:

Abb. 2: Elektronenmikroskopisches „Bild“ und die mit Röntgenfluroeszenz-Spektroskopie gemessene Verteilung dreier verschiedener Elemente (Ca, Zn, Pb) in menschlichen Knochen (Pixelgröße: 15 × 10 µm2, Messzeit/Pixel: 10 s). Figure2: Electronmicroscopic “photo” and the distribution of three different elements (Ca, Zn, Pb) in human bones measured with X-ray fluorescence spectroscopy (pixel size: 15 × 10 µm2, measurement time/pixel: 10 s).

contents of hazardous waste directly on-site or to check whether a load of toys contains harmful materials – X-ray spectroscopic methods nearly always lead to a fast and definite result. We use X-ray fluorescence spectroscopy in a number of interdisciplinary areas: •• In collaboration with the Kunsthistorisches Museum for the non-destructive analysis of art objects, which is of immense importance for real-time testing, origin research, and even for restoration (Fig.1). •• For characterising ultrathin layers (in the nanometre range) in the field of nanotechnology in and on silicon wafers and for the non-destructive verification of contaminants on the surfaces of silicon wafers. •• In collaboration with medical scientists for the measurement of trace element distributions in human bones to recognise the differences between sick and healthy bones (Fig.2). •• In environmental analysis for determining minimal quantities of pollutants in the air.

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Abb. 1: Blick in die Neutronenradiographiestation (rechts) und unsere ortsauflösenden Neutronendetektoren (links). Für eine tomographische Untersuchung muss die Probe (hier ein Sandstein) in vielen Winkelschritten durch den Strahl gedreht werden. Der rote Pfeil markiert den Neutronenstrahl der die Probe durchleuchtet, sobald der Strahl geöffnet ist. Figure 1: A view into the neutron radiography station (right) and our spatially resolving neutron detectors (left). For a tomographic examination, the sample (in this case, sandstone) is rotated through the beam in many angular steps. The red arrow marks the neutron beam that transilluminates the sample as soon as the beam is opened.

•• In Zusammenarbeit mit dem Kunsthistorischen Museum zur zerstörungsfreien Analyse von Kunstobjekten (Abb. 1), die von eminenter Bedeutung für die Echtheitsprüfung, die Herkunftsforschung, aber auch für die Restaurierung ist. •• Im Bereich der Nanotechnologie zur Charakterisierung ultradünner Schichten (im Nanometer-Bereich) in und auf Siliziumwafern sowie zum zerstörungsfreien Nachweis von Verunreinigungen auf den Oberflächen solcher Wafer. •• In der Medizin zur Messung von Spurenelementverteilungen in menschlichen Knochen, um Unterschiede in kranken und gesunden Knochen zu erkennen (Abb. 2). •• In der Umweltanalytik zur Feststellung von geringsten Mengen von Schadstoffen in der Luft.

Michael Zawisky Neutron Radiography and Tomography Just a few years after the TRIGA research reactor was commissioned, the first experiments were performed in the field of neutron radiography. This makes the radio­graphy station at the Atominstitut one of the longest-serving facilities of its type worldwide and one of the few that also makes three-dimensional tomographic research possible. In the following, the method used and two typical applications are briefly presented. The Instrument

Michael Zawisky Neutronenradiographie und -Tomographie Bereits wenige Jahre nach Inbetriebnahme des TRIGA Forschungsreaktors wurden erste Experimente auf dem Gebiet der Neutronenradiographie durchgeführt. Die Radiographiestation des Atominstituts ist damit eine der längstdienenden Anlagen dieser Art weltweit und eine der wenigen, die auch dreidimensionale tomographische Untersuchungen ermöglichen. Im Folgenden werden die Methode und zwei typische Anwendungen kurz vorgestellt. Radiographie bedeutet Durchleuchten und Fotografieren mit ionisierenden Strahlen, also entweder mit

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Radiography means to transilluminate and photograph with ionising beams, i.e., either with X-ray radiation or, in this case, with neutron beams. The samples under examination are positioned in the neutron beam and the beam attenuation is registered with neutron detectors with a high spatial resolution. The measurement principle is similar to that of that X-ray screening that is done, for example, at the dentist, but neutrons have additional very special characteristics that open many interesting new areas of application. One useful extension is the tomographic measurement method, by means of which a complete, three-dimensional image of a sample can be produced. Unlike medical computer tomography,

Abb. 1: Blick in die Neutronenradiographiestation (rechts) und unsere ortsauflösenden Neutronendetektoren (links). Für eine tomographische Untersuchung muss die Probe (hier ein Sandstein) in vielen Winkelschritten durch den Strahl gedreht werden. Der rote Pfeil markiert den Neutronenstrahl der die Probe durchleuchtet, sobald der Strahl geöffnet ist. Figure 1: A view into the neutron radiography station (right) and our spatially resolving neutron detectors (left). For a tomographic examination, the sample (in this case, sandstone) is rotated through the beam in many angular steps. The red arrow marks the neutron beam that transilluminates the sample as soon as the beam is opened.

•• In Zusammenarbeit mit dem Kunsthistorischen Museum zur zerstörungsfreien Analyse von Kunstobjekten (Abb. 1), die von eminenter Bedeutung für die Echtheitsprüfung, die Herkunftsforschung, aber auch für die Restaurierung ist. •• Im Bereich der Nanotechnologie zur Charakterisierung ultradünner Schichten (im Nanometer-Bereich) in und auf Siliziumwafern sowie zum zerstörungsfreien Nachweis von Verunreinigungen auf den Oberflächen solcher Wafer. •• In der Medizin zur Messung von Spurenelementverteilungen in menschlichen Knochen, um Unterschiede in kranken und gesunden Knochen zu erkennen (Abb. 2). •• In der Umweltanalytik zur Feststellung von geringsten Mengen von Schadstoffen in der Luft.

Michael Zawisky Neutron Radiography and Tomography Just a few years after the TRIGA research reactor was commissioned, the first experiments were performed in the field of neutron radiography. This makes the radio­graphy station at the Atominstitut one of the longest-serving facilities of its type worldwide and one of the few that also makes three-dimensional tomographic research possible. In the following, the method used and two typical applications are briefly presented. The Instrument

Michael Zawisky Neutronenradiographie und -Tomographie Bereits wenige Jahre nach Inbetriebnahme des TRIGA Forschungsreaktors wurden erste Experimente auf dem Gebiet der Neutronenradiographie durchgeführt. Die Radiographiestation des Atominstituts ist damit eine der längstdienenden Anlagen dieser Art weltweit und eine der wenigen, die auch dreidimensionale tomographische Untersuchungen ermöglichen. Im Folgenden werden die Methode und zwei typische Anwendungen kurz vorgestellt. Radiographie bedeutet Durchleuchten und Fotografieren mit ionisierenden Strahlen, also entweder mit

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Radiography means to transilluminate and photograph with ionising beams, i.e., either with X-ray radiation or, in this case, with neutron beams. The samples under examination are positioned in the neutron beam and the beam attenuation is registered with neutron detectors with a high spatial resolution. The measurement principle is similar to that of that X-ray screening that is done, for example, at the dentist, but neutrons have additional very special characteristics that open many interesting new areas of application. One useful extension is the tomographic measurement method, by means of which a complete, three-dimensional image of a sample can be produced. Unlike medical computer tomography,

Röntgenstrahlung, oder hier mit Neutronenstrahlen. Die zu untersuchenden Proben werden im Neutronenstrahl positioniert und die Strahlschwächung wird mit räumlich hochauflösenden Neutronendetektoren registriert. Das Messprinzip ist also ähnlich wie bei der Röntgendurchleuchtung, z.B. beim Zahnarzt, allerdings besitzen Neutronen ganz besondere Eigenschaften, die viele interessante neue Anwendungsgebiete eröffnen. Eine nützliche Erweiterung ist die tomographische Messmethode, sie ermöglicht eine vollständige dreidimensionale Abbildung der Probe. Im Gegensatz zur medizinischen Computertomographie, bei der der Patient in seiner Ruhelage verharrt, während Strahl und Detektor gedreht werden, wird in der Neutronentomographie nur die Probe sukzessive in vielen diskreten Winkelschritten zwischen 0° und 180° durch den Strahl gedreht. Bei jeder dieser Winkelstellungen erfolgt eine radiographische Aufnahme und abschließend werden die einzelnen Bilder mit Hilfe der nach ihrem Erfinder, dem österreichischen Mathematiker Johann Radon (1887-1956), benannten Radontransformation, zu einem 3-D-Bild zusammengefügt.

Abb. 2: Tomographische Untersuchungen von Bohrkernen aus dem Stephansdom nach chemischer Restaurierung von Teilen der Fassade. Die gefärbten Zonen markieren die räumliche Verteilung des Steinfestigers. Figure 2: Tomographic investigations of drill cores from St. Stephan’s Cathedral following chemical restoration of sections of the façade. The coloured zones mark the spatial distribution of the stone sealer.

in which the patient remains in his or her rest position while beam and detector are rotated, in neutron tomography only the sample is rotated through the beam in many discrete angular steps between 0° and 180°. A radiographic image is captured at each of these angular positions. Afterwards, the individual images are merged into a 3D image with help of the Radon transformation, named after its inventor, the Austrian mathematician Johann Radon (1887-1956). Applications One of the great strengths of neutron radiography is the detection of substances containing hydrogen, all types of liquids, even in smallest quantities and in a wide range of materials. Another advantage of neutrons is their iso-

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Anwendungen Eine der großen Stärken der Neutronenradiographie ist der Nachweis von wasserstoffhaltigen Substanzen, Flüssigkeiten aller Art, schon in kleinsten Mengen und in den verschiedensten Materialien. Ein weiterer Vorteil von Neutronen ist ihre Isotopensensitivität, z.B. werden Neutronenstrahlen in leichtem Wasser sehr stark abgeschwächt, während sie schweres Wasser ungestört passieren. Ähnliches gilt in Gasgemischen, Helium-3 ist ein starker Neutronenabsorber, Helium-4 vollkommen durchlässig. Als neutrale Teilchen können Neutronen auch dicke Materialien, insbesondere dicke Metalle, sehr gut durchdringen. Dennoch besitzen einige Elemente und Isotope eine hohe Neutroneneinfangwahrscheinlichkeit und können so empfindlich nachgewiesen werden, wie zum Beispiel Lithium, Helium-3, Bor-10, Seltene Erden, Tantal, Wolfram, Osmium, Iridium, Quecksilber, Uran, Plutonium. Die folgende Auswahl gibt einen Überblick über Radiographie- und Tomographie-Projekte am Atominstitut: •• Wasserstoff in Metallen und Wasserstoffspeichern: Gehalt, Verteilung, Diffusion, •• Verteilung von Konsolidierungsmitteln in Baustoffen und Fassaden von Denkmälern (Abb. 2), •• Feuchtigkeit und Korrosion in Metallen, Brennstoffzellen, Museumsobjekten, •• Kornstatistik und Defektanalyse von geologischen Proben, •• Bor-, Gadolinium-, Uran-Verteilungen in Metallen und Brennelementen.

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topic sensitivity, e.g., neutron beams are very strongly attenuated in light water, while they pass through heavy water unaffected. The same applies to gas mixtures: He-3 is a strong neutron absorber while He-4 is completely penetrable. As neutral particles, neutrons can also easily penetrate even very dense materials, particularly thick metals. Nevertheless, some elements and isotopes have a high neutron capture probability and can thus be detected with high sensitivity. Examples here include lithium, helium-3, boron-10, rare earths, tantalum, tungsten, osmium, iridium, mercury, uranium, and plutonium. The following selection provides an overview of the radio­graphy and tomography projects at the Institute of Atomic and Subatomic Physics: •• Hydrogen in metals and hydrogen tanks: content, distribution, and diffusion •• Distribution of consolidants in building materials and façades of monuments (Fig. 2) •• Moisture and corrosion in metals, fuel cells, and museum objects •• Grain statistics and defect analysis of geological samples •• Boron, gadolinium, and uranium distributions in metals and fuel elements



Walid Hetaba et al.

BESONDERE GERÄTE UND EINRICHTUNGEN SPECIAL INSTRUMENTS AND EQUIPMENT Walid Hetaba Die Transmissionselektronenmikroskopie an der TU Wien Die Elektronenmikroskopie hat an der TU Wien eine beinahe 75-jährige Geschichte. Die TU Wien war damit eine der beiden ersten Universitäten Österreichs, die ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) in Betrieb hatten. Das erste TEM, ein Siemens Übermikroskop, wurde im Jahr 1942 im Zuge der Berufung von Ulrich Hofmann an das Institut für Allgemeine und Anorganische Chemie an der TH Wien aufgestellt. Damit war man auf der Höhe der Zeit, da nur weniger als zehn Jahre zuvor die Entwicklung der Elektronenmikroskopie durch Ernst Ruska in Berlin begonnen hatte. Das Mikroskop war jedoch nicht lange in Betrieb, als es gemeinsam mit anderem Instituts­inventar bereits wieder abgebaut werden musste, um es vor den Folgen des Krieges zu schützen. 1946 wurde es unter Anwesenheit des Bundespräsidenten feierlich wieder in Betrieb genommen und in den nächsten Jahren sowohl für die Forschung als auch für die Ausbildung der Studierenden eingesetzt. 1957 stand schließlich zur Diskussion, das Mikroskop an die Deutsche Forschungsgemeinschaft zu retournieren, da es während des Krieges durch diese angeschafft worden war. Die Verhandlung darüber führte allerdings zu keinem Ergebnis, stattdessen verblieb das Gerät bis zum Ende seiner Lebensdauer an der TH/TU Wien. 1965 folgte die Anschaffung eines neuen TEMs (Siemens ELMISKOP 1A) als Gemeinschaftsprojekt der Institute für Angewandte Physik, Technische Mikroskopie und Rohstofflehre, sowie Biochemische Technologie und Mikrobiologie. Der Fokus der Forschung änderte sich

Walid Hetaba Transmission Electron Microscopy at the TU Wien Electron microscopy has almost 75 years of history at the TU Wien. The TU Wien was one of the first two Austrian universities to have a transmission electron microscope (TEM) in operation. The first TEM, a Siemens microscope, was installed in 1942 together with the appointment of Ulrich Hofmann at the Institute for General and Inorganic Chemistry at the TH in Vienna. At the time, this was state-of-the-art, since the development of electron microscopy had only started less than ten years earlier with Ernst Ruska in Berlin. The microscope had not been in operation for long before it had to be dismantled again, along with other institute inventory, in order to protect it from possible damage from the war. In 1946 it was put back into operation at a ceremony attended by the Austrian Federal President, and was used in the years to come for research and for the education of students. In 1957, a discussion ensued as to whether the microscope should be returned to the German Research Foundation, since the foundation had it acquired during the war. However, negotiations did not come to an end and the instrument remained at the TH/TU Wien until the end of its lifetime. In 1965, a new TEM was acquired (Siemens ELMISKOP 1A) as a joint project of the Institutes for Applied Physics, Technical Microscopy and Organic Raw Materials Science, and Biotechnology and Microbiology. However, the overall research focus changed gradually from biological and medical applications towards questions of materials science and solid state physics. The general trend in electron microscopy went towards continually increasing acceleration voltages in order to reach higher

Besondere Geräte und Einrichtungen  | 119

allmählich von ursprünglich biologischen und medizinischen Anwendungen hin zu materialwissenschaftlichen und festkörperphysikalischen Fragestellungen. Der allgemeine Trend in der Elektronenmikroskopie ging in Richtung immer höherer Beschleunigungsspannungen, um höhere Auflösungen zu erreichen. Folglich wurde 1975 Österreichs erstes 200 kV TEM an der TU Wien in Betrieb genommen. 1981 wurde ein Elektronenmikroskop vom Typ Siemens ELMISKOP 1A am Institut für Angewandte und Technische Physik mit einem Elektronen-Energieverlust-Spektrometer ausgestattet. Damit konnten nun auch Experimente zur inelastischen Elektronenstreuung durchgeführt und mit theoretischen Arbeiten verglichen werden. Dieses Gerät blieb bis 1996 in Betrieb. Grundlagenforschung in der Elektronenmikroskopie An der TH/TU Wien wurden jedoch nicht nur experimentelle Arbeiten durchgeführt, auch die Theorie der Elektronenoptik und Elektronenstreuung stand im Fokus. So wurde Walter Glaser 1949 zunächst außerordentlicher Professor für angewandte Physik und in weiterer Folge auch ordentlicher Professor. Sein Arbeitsgebiet war die Theorie der Elektronenoptik, worüber er Vorlesungen an der TH Wien hielt. Aus diesen Vorlesungen und früheren Manuskripten entstand schließlich sein Buch über die Grundlagen der Elektronenoptik. Seine Arbeiten setzte Glaser an der TH Wien, abgesehen von einem zweijährigen Intermezzo in der Industrie, bis zu seinem Tode 1960 fort. In den letzten 30 Jahren wurden vor allem durch Peter Schattschneider Arbeiten zur Theorie der inelastischen Elektronenstreuung durchgeführt. Die aktuellen Arbeiten haben die Forschung zu den Themen „magnetischer Zirkulardichroismus“ und „Elektronen-Vortexstrahlen“ im Fokus. Die an der TU Wien durchgeführten theoretischen Arbeiten legten den Grundstein für weiterführende Experimente sowohl in Wien als auch an vielen anderen Forschungseinrichtungen weltweit.

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resolutions. Consequently, in 1975, Austria’s first 200kV TEM went into operation at the TU Wien. In 1981, a Siemens ELMISKOP 1A electron microscope at the Institute for Applied and Engineering Physics was equipped with an electron energy-loss spectrometer. This made it possible to perform experiments using inelastic electron scattering and to compare results with theoretical work. The instrument remained in use until 1996. Basic Research in Electron Microscopy However, more than just experimental work was performed at the TH/TU Wien. There was also a focus on the theory of electron optics and electron scattering. As part of this effort, Walter Glaser became Associate Professor for Applied Physics in 1949, and subsequently went on to become a Full Professor. His area of interest was the theory of electron optics, on which he lectured at the TH Wien. These lectures and early manuscripts eventually became the basis for his book on the foundations of electron optics. Glaser continued to work at the TH Wien, aside from a two-year stint in private industry, until his death in 1960. During the last thirty years, Peter Schattschneider has primarily been responsible for work on the theory of inelastic electron scattering. Current research is focusing on magnetic circular dichroism and electron vortex beams. The theoretical work at the TU Wien has been the foundation for further experiments in Vienna as well as at many other research facilities. Foundation of a University Service Centre In 1999, the senate of the TU Wien voted to establish a university-wide service centre for transmission electron microscope (USTEM). The goal was for the electron microscopes of the physics and the chemical institutes to be operated by USTEM in a joint pool. To this end, associates of the respective institutes were assigned to the service centre. With the commencement of USTEM’s

Gründung einer universitären Serviceeinrichtung Im Jahr 1999 wurde durch den Senat der TU Wien die Gründung der Universitären Serviceeinrichtung für Transmissionselektronenmikroskopie (USTEM) beschlossen. Die Elektronenmikroskope eines physikalischen und eines chemischen Instituts sollten als gemeinsamer Pool durch USTEM betrieben werden, dazu wurden auch Mitarbeiter der jeweiligen Institute der Serviceeinrichtung zugeteilt. Mit der Aufnahme der Arbeit von USTEM im Jahr 2000 ging auch die Anschaffung eines neuen Feldemissions-TEM der Firma FEI einher, das 2001 am weltweit exponiertesten Aufstellungsort in Betrieb genommen wurde: Das Mikroskop befindet sich im 8. Stock des Freihaus-Gebäudekomplexes, störende Einflüsse der U-Bahn- und Straßenbahnlinien werden durch eine aktive Magnetfeldkompensation minimiert. Im Laufe der folgenden Jahre wurden weitere Anschaffungen getätigt, die für die erforderliche Probenpräparation notwendig waren bzw. diese um neue Möglichkeiten erweitern.

Abb. 1: (Links) Siemens ELMISKOP 1A aus dem Jahr 1965. (Rechts) FEI TECNAI TF20 aus dem Jahr 2001. Michael Stöger-Pollach konzentriert bei der Arbeit.. Figure 1: (Left) Siemens ELMISKOP 1A from 1965. (Right) FEI TECNAI TF20 from 2001. Michael Stöger-Pollach concentrated at work.

field of responsibility in 2000, came the acquisition of a new Field Emission TEM by FEI, which began operations in 2001 at one of the world’s most exposed installation sites: The microscope is located on the 8th floor of the Freihaus building complex. The interfering effects of subways and streetcars are minimised using active magnetic field compensation. Over the years to come, additional equipment necessary to prepare samples or expand preparation options was acquired. Current Work In 2007, USTEM operated an equipment pool consisting of a total of four TEMs. In 2008, two 30-year-old in-

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Aktuelle Arbeiten 2007 betrieb USTEM einen Gerätepool bestehend aus insgesamt vier TEMs. Im Jahr 2008 wurden schließlich zwei knapp 30 Jahre alte Geräte durch ein neues Transmissions- und ein neues Rasterelektronenmikroskop ersetzt. Mit dem neu angeschafften TEM können Messungen bei sehr niedrigen Beschleunigungsspannungen durchgeführt werden, um dielektrische und elektronische Eigenschaften von Materialien zu untersuchen. USTEM wurde dadurch zu einer der führenden Forschungsgruppen in diesem Bereich. Im Zuge der Umbauarbeiten am Standort Getreidemarkt wurde schließlich auch das älteste für USTEM in Betrieb befindliche TEM nach 31 Dienstjahren stillgelegt. Eine der Hauptaufgaben bei USTEM sind mikroskopische und nano-analytische Untersuchungen für alle TU-Institute, externe Institutionen und Firmen weltweit. Ebenso wird in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Elektronenmikroskopie am Institut für Festkörperphysik Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Elektronen-Energieverlustspektrometrie betrieben. USTEM ist auch international mit vielen unterschiedlichen Forschungsgruppen in engem Kontakt und bestens vernetzt. Mit der zunehmenden Bedeutung von Nanotechnologie ist klar, dass die Elektronenmikroskopie auch in den kommenden Jahren ein integraler Bestandteil der Forschung und Entwicklung an der TU Wien sein wird. Aufgrund ihrer langen und erfolgreichen Geschichte und des exzellenten Zusammenspiels von theoretischer und experimenteller Forschung ist die Elektronenmikroskopie ideal aufgestellt, um zukünftigen Herausforderungen erfolgreich zu begegnen. Mario Villa Der Triga Mark II Reaktor Die TU Wien betreibt seit mittlerweile mehr als 50 Jahren am Atominstitut einen Forschungsreaktor, den einzigen in Österreich und das größte „Einzelgerät“ nicht nur der Fakultät für Physik, sondern der TU Wien insgesamt. Mit

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struments were finally replaced with a new transmission and a new scanning electron microscope. The newly acquired TEM makes it possible to perform measurements at very low acceleration voltages thus enabling the study of the dielectric and electronic properties of materials. As a result, the USTEM became one of the leading research groups in this field. As part of renovation work at the Getreidemarkt location, the oldest TEM in operation in the USTEM pool was finally also retired, after 31 years of service. One of USTEM’s primary tasks is carrying out microscopic and nano-analytical studies for all TU institutes, external institutes, and companies worldwide. Likewise, basic research is also being conducted in the area of electron energy loss spectrometry, in collaboration with the Electron Microscopy Workgroup at the Institute of Solid State Physics. USTEM is also in close international contact with a broad range of different research groups. With the increasing importance of nanotechnology, it is clear that electron microscopy will continue to be an integral part of research and development at the TU Wien in the years to come. In light of its long and successful history and the excellent collaboration between theoretical and experimental research, electron microscopy is ideally positioned to successfully address future challenges. Mario Villa The Triga Mark II Reactor The TU Wien has operated a research reactor at the Atominstitut for over 50 years now. The reactor is the only one in Austria and the largest single piece of equipment not only in the Physics Department, but in the entire TU Wien. With a thermal power of only 250 kW, which corresponds approximately to the output of a middle class car, it cannot be compared with a power plant reactor. In addition, due to physical laws, its special construction is inherently and absolutely safe. Despite its low power and correspondingly low neutron flux, it has been the basis for numerous groundbreaking experiments, in particular in the field of quantum physics.

Aktuelle Arbeiten 2007 betrieb USTEM einen Gerätepool bestehend aus insgesamt vier TEMs. Im Jahr 2008 wurden schließlich zwei knapp 30 Jahre alte Geräte durch ein neues Transmissions- und ein neues Rasterelektronenmikroskop ersetzt. Mit dem neu angeschafften TEM können Messungen bei sehr niedrigen Beschleunigungsspannungen durchgeführt werden, um dielektrische und elektronische Eigenschaften von Materialien zu untersuchen. USTEM wurde dadurch zu einer der führenden Forschungsgruppen in diesem Bereich. Im Zuge der Umbauarbeiten am Standort Getreidemarkt wurde schließlich auch das älteste für USTEM in Betrieb befindliche TEM nach 31 Dienstjahren stillgelegt. Eine der Hauptaufgaben bei USTEM sind mikroskopische und nano-analytische Untersuchungen für alle TU-Institute, externe Institutionen und Firmen weltweit. Ebenso wird in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Elektronenmikroskopie am Institut für Festkörperphysik Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Elektronen-Energieverlustspektrometrie betrieben. USTEM ist auch international mit vielen unterschiedlichen Forschungsgruppen in engem Kontakt und bestens vernetzt. Mit der zunehmenden Bedeutung von Nanotechnologie ist klar, dass die Elektronenmikroskopie auch in den kommenden Jahren ein integraler Bestandteil der Forschung und Entwicklung an der TU Wien sein wird. Aufgrund ihrer langen und erfolgreichen Geschichte und des exzellenten Zusammenspiels von theoretischer und experimenteller Forschung ist die Elektronenmikroskopie ideal aufgestellt, um zukünftigen Herausforderungen erfolgreich zu begegnen. Mario Villa Der Triga Mark II Reaktor Die TU Wien betreibt seit mittlerweile mehr als 50 Jahren am Atominstitut einen Forschungsreaktor, den einzigen in Österreich und das größte „Einzelgerät“ nicht nur der Fakultät für Physik, sondern der TU Wien insgesamt. Mit

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struments were finally replaced with a new transmission and a new scanning electron microscope. The newly acquired TEM makes it possible to perform measurements at very low acceleration voltages thus enabling the study of the dielectric and electronic properties of materials. As a result, the USTEM became one of the leading research groups in this field. As part of renovation work at the Getreidemarkt location, the oldest TEM in operation in the USTEM pool was finally also retired, after 31 years of service. One of USTEM’s primary tasks is carrying out microscopic and nano-analytical studies for all TU institutes, external institutes, and companies worldwide. Likewise, basic research is also being conducted in the area of electron energy loss spectrometry, in collaboration with the Electron Microscopy Workgroup at the Institute of Solid State Physics. USTEM is also in close international contact with a broad range of different research groups. With the increasing importance of nanotechnology, it is clear that electron microscopy will continue to be an integral part of research and development at the TU Wien in the years to come. In light of its long and successful history and the excellent collaboration between theoretical and experimental research, electron microscopy is ideally positioned to successfully address future challenges. Mario Villa The Triga Mark II Reactor The TU Wien has operated a research reactor at the Atominstitut for over 50 years now. The reactor is the only one in Austria and the largest single piece of equipment not only in the Physics Department, but in the entire TU Wien. With a thermal power of only 250 kW, which corresponds approximately to the output of a middle class car, it cannot be compared with a power plant reactor. In addition, due to physical laws, its special construction is inherently and absolutely safe. Despite its low power and correspondingly low neutron flux, it has been the basis for numerous groundbreaking experiments, in particular in the field of quantum physics.

Abb. 1: Blick in das Reaktorbecken. Die blau leuchtende Tscherenkow-Strahlung wird von bei der Kernspaltung entstehenden Elektronen hervorgerufen, die sich im Kühlwasser schneller als das Licht fortbewegen. Figure 1: View into the reactor pool. The blue glow of Cherenkov radiation is caused by the electrons created during nuclear fission, which move faster than light in the cooling water.

einer thermischen Leistung von lediglich 250 kW, die in etwa derjenigen eines Mittelklasse-Autos entspricht, ist er nicht mit dem Reaktor eines Kernkraftwerkes zu vergleichen. Außerdem ist er durch seinen speziellen Aufbau aufgrund physikalischer Gesetze inhärent absolut sicher. Trotz seiner geringen Leistung und dementsprechend niedrigem Neutronenfluss konnten an ihm zahlreiche bahnbrechende Experimente, insbesondere auf dem Gebiet der Quantenphysik, erstmals realisiert werden. Die Entscheidung, diesen Forschungsreaktor in Wien zu bauen, ist bei der Ersten Internationalen Konferenz für die friedliche Anwendung der Atomenergie 1955 in Genf getroffen worden. Nach einigen Diskussionen ist die Wahl auf den Standort Schüttelstrasse 115 gefallen. Von besonderer Bedeutung war natürlich die Auswahl des Reaktortyps. Mit Rücksicht darauf, dass der Reaktor nahe dem Zentrum von Wien für Unterrichtszwecke betrieben werden sollte, musste er absolut betriebssicher sein. Es war daher ein Reaktor zu finden, der eine möglichst große Neutronenflussdichte bei einer angemessenen Leistung hat. Die Wahl fiel schließlich auf einen Reaktor der US-amerikanischen Firma General Atomics, die seit 1958 TRIGA (Training, Research and Isotope Production, General Atomics) Reaktoren produzierte. Der Ursprung dieses Reaktorkonzepts ist im amerikanischen „Atoms for Peace“ – Programm begründet, das vom amerikanischen Präsidenten Dwight D. Eisenhower bei den Vereinten Nationen in New York 1953 präsentiert wurde.

The decision to build the research reactor in Vienna was made at the First International Conference for the peaceful use of atomic energy in Geneva in 1955. After some discussion, the location at Schüttelstrasse 115 was selected. Of particular importance was, of course, the selection of the reactor type. In consideration of the fact that the reactor was to be operated close to Vienna’s city centre, it was imperative that operations be made absolutely failsafe. A reactor design therefore had to be found with the largest possible neutron flux density at an appropriate power. The reactor that was finally selected was manufactured by the U.S. firm General Atomics, which has produced this type of TRIGA (Training, Research and Isotope Production, General Atomics) reactors since 1958. The origin of the reactor concept is based on the American Atoms for Peace programme presented by the American president Dwight D. Eisenhower at the United Nations in New York in 1953. The basic idea behind the TRIGA reactor concept is a fuel design that is limited in output power by the laws of nature, not by technical measures. This inherently safe reactor concept resulted in a specific fuel design that is able to limit the reactor output within a few milliseconds, independently of technical control concepts and without the necessity of safety measures. Based upon this special concept, 65 TRIGA reactors were built worldwide, of which 38 are still in operation. After less than three years of construction, the Atominstitut was officially inaugurated on 7 March 1962. At

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Der Grundgedanke des TRIGA Reaktorkonzepts sah ein Brennstoffdesign vor, das durch die Gesetze der Natur und nicht durch technische Maßnahmen in der Leistung begrenzt ist. Dieses inhärent sichere Reaktorkonzept führte zu einem speziellen Brennstoffdesign. Dieses Design besitzt die Eigenschaft, die Reaktorleistung, unabhängig von den technischen Regelkonzepten und ohne die Notwendigkeit irgendwelcher Sicherheitsmaßnahmen, selbständig innerhalb von wenigen Millisekunden begrenzen zu können. Auf Basis dieses speziellen Konzepts wurden weltweit 65 TRIGA Reaktoren gebaut, 38 davon befinden sich noch in Betrieb. Nach nicht einmal dreijähriger Bauzeit erfolgte am 7. März 1962 die offizielle Eröffnung des Atominstituts. Um exakt 12:04 wurde der TRIGA Reaktor das erste Mal in Betrieb genommen und das strahlende Blau der durch überlichtschnelle Elektronen im Kühlwasser hervorgerufenen Tscherenkowstrahlung (Abb. 1) beobachtet. Seither wird der TRIGA Reaktor sowohl im Leistungsals auch im Pulsbetrieb ohne wesentliche Störungen oder Unterbrechungen höchst erfolgreich betrieben. Er gilt heute weltweit als einer der am besten genutzten Forschungsreaktoren mit geringer Leistung. Neben der Nutzung als Neutronenquelle erfüllt der Reaktor auch seine Aufgaben im Bereich der Ausbildung auf nationaler und internationaler Ebene. So führt das Atominstitut seit 1984 unter anderem alle zwei Jahre einen gemeinsamen Kurs mit der Internationalen Atomenergie-Behörde (IAEA) durch, dessen Ziel es ist, den angehenden IAEA-Inspektoren theoretisches und praktisches Wissen rund um einen Reaktor zu vermitteln. Bisher haben 104 UN-Inspektoren ihre Aus- und Weiterbildung erfolgreich abgeschlossen und nutzen ihr am Atominstitut erworbenes Wissen bei der Überprüfung und Bewertung globaler Krisenherde. Durch diese sehr intensive Nutzung in den unterschiedlichen Bereichen stellte sich nach fast 50-jährigem störungsfreiem Betrieb die Frage nach der Zukunft des Reaktors. Da sowohl die TU Wien, die Internationale Atomenergiebehörde als auch die Vertreter der US-amerikanischen Regierung an einem Weiterbetrieb des Reaktors

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exactly 12:04 p.m., the TRIGA reactor went critical for the first time, and the bright blue of the Cherenkov radiation, caused by electrons moving faster than light in the cooling water, was observed (Fig.1). Since then, the TRIGA reactor has been operated very successfully and without significant problems or interruptions, in both continuous power and pulse mode. Today, it is considered one of the most optimally used low-power research reactors in the world. Aside from being used as a neutron source, the reactor is also an important educational asset, nationally and internationally. For example, the Atominstitut has been conducting a joint biennial course with the International Atomic Energy Agency (IAEA) with the goal of educating prospective IAEA inspectors in the theoretical and practical knowledge associated with all aspects of a reactor. So far, 104 UN inspectors have successfully completed their (on-going) training, and use the knowledge gained at the Atominstitut to fulfil their monitoring and evaluation duties at global hot spots. In view of the intensive use in various fields, the question of the reactor’s future has arisen, after almost 50 years of problem-free operation. Since the TU Wien, the International Atomic Energy Agency, and representatives of the US Government were interested in the further operation of the reactor, a contractual agreement has been drawn up for its future. The U.S. delivered new fuel elements and the 91 used fuel elements were returned to the U.S. The last day of reactor operations with the old core was 27 April 2012. This day marked the 10,257th day of operation for the reactor. Since the start of operations on 7 March 1962, a total of 12,813 MWh of power have been produced with the research reactor. This corresponds to 7,322 days with on average 7 hours of operation each, at a maximum output power of 250 kW. The exchange of the fuel elements took place between October and November 2012. Part of the negotiations requires that the U.S. also agree to accept the return of the new fuel elements in the future. In the meantime, the 11,000th day of operation since 1962 has passed. In light of the replacement of the fuel elements,

Abb. 2:Der TRIGA Mark II Reaktor im Jahr 2014. Figure 2: The TRIGA Mark II Reactor in 2014.

in Wien interessiert waren, wurde eine vertragliche Vereinbarung für dessen Zukunft getroffen. Die USA lieferte neue Brennstäbe für den Weiterbetrieb, die bisher genutzten 91 Brennelemente wurden in die USA zurückgeschickt. Am 27. April 2012 war der letzte Betriebstag des Reaktors mit dem alten Kern. Dieser Tag war in der Geschichte des Reaktors der 10.257ste Betriebstag. Seit der Inbetriebnahme am 7. März 1962 wurden mit dem Forschungsreaktor in Summe 12.813 MWh an Arbeit produziert. Das entspricht 7.322 Tagen zu durchschnittlich je 7 Stunden Betrieb mit einer maximalen Leistung von 250 kW. Der Austausch der neuen gegen die alten Brennelemente erfolgte im Zeitraum Oktober bis November 2012. Im Zuge der dazu notwendigen Verhandlungen haben sich die USA bereit erklärt, auch die neuen Brennstäbe in Zukunft wieder zurückzunehmen. Mittlerweile wurde bereits der 11.000ste Betriebstag seit 1962 erreicht. Mit der Erneuerung der Brennstäbe, der Reaktorinstrumentierung sowie der Kühl- und Lüftungskreisläufe sind auch noch einige tausend weitere störungsfreie Betriebstage in der Zukunft zu erwarten.

the reactor instrumentation, and the cooling and ventilation circulation, several thousand more problem-free days of operation can be expected in the future.

Michael Reissner, Walter Steiner Die Tieftemperaturanlagen an der TU Wien

Michael Reissner, Walter Steiner Low Temperature Facilities at the TU Wien

Der Grundstein der Tieftemperaturanlagen wurde im Jahre 1970 mit der Anschaffung einer Stickstoffverflüssigungsanlage mit Trennsäule der Fa. Philips sowie einer 5 Liter He-Verflüssigungsanlage der Fa. ADL (1978 Aufrüstung auf 10 l/h) am ehemaligen Institut für Angewandte und Technische Physik gelegt. Die für die Rückgewinnung des Heliumgases nötige Infrastruktur wurde sowohl im Hauptgebäude am Karlsplatz als auch für die Elektrotechnikinstitute in der Gußhausstraße realisiert, die mit einer direkten Gasleitung verbunden wurden. Dies erlaubte allen auf dem Gebiet der Festkörperphysik arbeitenden Instituten, ihre Forschungen in den Tem-

The foundation for the low temperature facility was laid in 1970 with the acquisition of a nitrogen liquefaction system with a separation column by Philips, as well as a 5-litre He liquefaction installation by ADL (expanded to 10l/hr in 1978) at the former Institut für Angewandte und Technische Physik. The infrastructure required to recover Helium gas was installed in the main building at Karlsplatz as well as at the Electrical Engineering Institute on Gußhausstraße by connecting them with a direct gas line. This made it possible for all the institutes working in the field of solid-state physics to extend their research

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Abb. 2:Der TRIGA Mark II Reaktor im Jahr 2014. Figure 2: The TRIGA Mark II Reactor in 2014.

in Wien interessiert waren, wurde eine vertragliche Vereinbarung für dessen Zukunft getroffen. Die USA lieferte neue Brennstäbe für den Weiterbetrieb, die bisher genutzten 91 Brennelemente wurden in die USA zurückgeschickt. Am 27. April 2012 war der letzte Betriebstag des Reaktors mit dem alten Kern. Dieser Tag war in der Geschichte des Reaktors der 10.257ste Betriebstag. Seit der Inbetriebnahme am 7. März 1962 wurden mit dem Forschungsreaktor in Summe 12.813 MWh an Arbeit produziert. Das entspricht 7.322 Tagen zu durchschnittlich je 7 Stunden Betrieb mit einer maximalen Leistung von 250 kW. Der Austausch der neuen gegen die alten Brennelemente erfolgte im Zeitraum Oktober bis November 2012. Im Zuge der dazu notwendigen Verhandlungen haben sich die USA bereit erklärt, auch die neuen Brennstäbe in Zukunft wieder zurückzunehmen. Mittlerweile wurde bereits der 11.000ste Betriebstag seit 1962 erreicht. Mit der Erneuerung der Brennstäbe, der Reaktorinstrumentierung sowie der Kühl- und Lüftungskreisläufe sind auch noch einige tausend weitere störungsfreie Betriebstage in der Zukunft zu erwarten.

the reactor instrumentation, and the cooling and ventilation circulation, several thousand more problem-free days of operation can be expected in the future.

Michael Reissner, Walter Steiner Die Tieftemperaturanlagen an der TU Wien

Michael Reissner, Walter Steiner Low Temperature Facilities at the TU Wien

Der Grundstein der Tieftemperaturanlagen wurde im Jahre 1970 mit der Anschaffung einer Stickstoffverflüssigungsanlage mit Trennsäule der Fa. Philips sowie einer 5 Liter He-Verflüssigungsanlage der Fa. ADL (1978 Aufrüstung auf 10 l/h) am ehemaligen Institut für Angewandte und Technische Physik gelegt. Die für die Rückgewinnung des Heliumgases nötige Infrastruktur wurde sowohl im Hauptgebäude am Karlsplatz als auch für die Elektrotechnikinstitute in der Gußhausstraße realisiert, die mit einer direkten Gasleitung verbunden wurden. Dies erlaubte allen auf dem Gebiet der Festkörperphysik arbeitenden Instituten, ihre Forschungen in den Tem-

The foundation for the low temperature facility was laid in 1970 with the acquisition of a nitrogen liquefaction system with a separation column by Philips, as well as a 5-litre He liquefaction installation by ADL (expanded to 10l/hr in 1978) at the former Institut für Angewandte und Technische Physik. The infrastructure required to recover Helium gas was installed in the main building at Karlsplatz as well as at the Electrical Engineering Institute on Gußhausstraße by connecting them with a direct gas line. This made it possible for all the institutes working in the field of solid-state physics to extend their research

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peraturbereich bis herab zu 2 K auszuweiten. Parallel wurden auch das Ludwig Boltzmann-Institut für Festkörperphysik, die Universität Wien, die Montanuniversität Leoben, sowie die Universität Innsbruck mit flüssigem Helium versorgt. Im Jahr 1982 wurden die Tieftemperaturanlagen als eigene Organisationseinheit unter der Leitung von Walter Steiner begründet. Im Zuge der Planung der Übersiedelung der Physikinstitute auf die Freihausgründe wurde sowohl eine neue Stickstoffanlage, diesmal mit einer PSA-Anlage für die Sauerstoff-Stickstoff Trennung, als auch eine deutlich größere He-Verflüssigungsanlage vorgesehen. Die Kapazität der Anlage mit bis zu 55 Litern pro Stunde erlaubte die Erfüllung des ministeriellen Auftrags, die Versorgung aller österreichischen Universitäten mit flüssigem Helium zu ermöglichen. Nach über 20-jährigem Betrieb wurde die Anlage 2009 durch eine neue ersetzt (Abb. 1). Neben dem eigentlichen Verflüssiger wurden auch die Kompressoren und die Gassäcke getauscht. Mit der Pensionierung von Walter Steiner im Jahre 2008 ging die Leitung der Tieftemperaturanlagen an Michael Reissner über. Der um 1982 ins Leben gerufene Nutzerverband umfasst neben Instituten fast aller Fakultäten der TU Wien auch Institute der Universität Wien, der Universität für Bodenkultur, der Universität für Veterinärmedizin, dem Geozentrum und einigen Behörden in Wien auch Institute der Montanuniversität Leoben, der Universität Graz, der Technischen Universität Graz, der Universität Salzburg, der Universität Innsbruck, sowie ein Akademieinstitut in Bratislava. Im Jahr 2013 wurden 377.000 Liter flüssiger Stickstoff und 112.000 Liter flüssiges Helium abgegeben. Neben der Produktion und Verteilung der Kühlmedien sind die Tieftemperaturanlagen zuständig für die Instandhaltung der Infrastruktur (neben den Maschinen und den Komponenten der Rückgewinnungsanlage werden ungefähr 120 Dewar sowie zwei Klein-LKW für den Transport verwaltet und gewartet), die Schulung der Nutzerinnen und Nutzer im Umgang mit den Kühlmitteln, die Beratung beim Aufbau neuer Instrumente zur

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Abb. 1.: Blick auf den Top-Flansch der L140S Anlage. Figure 1: View of the top flange of the L140S system.

to temperature ranges down to 2 K. Parallel to this, the Ludwig Boltzmann Institute for Solid-state Physics, the University of Vienna, the University of Leoben, and the University of Innsbruck were also supplied with liquid helium. In 1982, the low temperature facilities were incorporated as a separate organisational unit and Walter ­Steiner named director. A new nitrogen facility was set up as part of the plans to transition the physics institutes to the Freihaus site, this time with a PSA system for oxygen-nitrogen separation, as well as a significantly larger He liquefaction facility. The capacity of the facility – up to 55 litres per hour – made it possible to comply with the ministerial mandate to supply all Austrian universities with liquid helium. After more than 20 years of successful operations, the TU Wien authorized the acquisition of a new system (Fig. 1), which has been operational since 2009. Besides the actual liquefier, the compressors and gasbags were also exchanged. After Walter Steiner’s retirement in 2008, Michael Reissner took over the direction of the low temperature facilities. The consortium of users, launched in 1982, includes almost all of the faculties of the TU Wien as well as the institutes of the University of Vienna, the University of Natural Resources and Life Sciences, the University of

Nutzung tiefer Temperaturen, sowie für die Hilfestellung bei auftretenden Problemen. Herwig Michor, Roland Grössinger, Herbert Sassik AUSTROMAG Magnetismus und dessen vielseitige Anwendungen haben hohe technologische und wirtschaftliche Bedeutung erlangt. Alltägliche Komponenten sind z.B. Magnetschließer für Türen, meist einfache Ferrite, und die extrem kleinen High-Tech Magnetkapseln in kleinen Kopfhörern und Mobiltelefonen auf Basis von Samarium-Kobalt bzw. Neodym-Eisen-Bor Magneten. Solche Materialien müssen entwickelt und verbessert werden. Zum Verständnis derartiger Materialien sind Messanlagen nötig, die eine Charakterisierung in einem weiten Magnetfeldbereich, aber auch in einem weiten Temperaturbereich ermöglichen. Das Institut für Festkörperphysik beschäftigt sich mit dem Aufbau solcher Messanlagen und den genannten Materialien schon seit einigen Jahrzehnten (ursprünglich als Institut für Experimentalphysik) und betreibt vor allem im Tieftemperaturbereich bis hin zu wenigen tausendstel Kelvin diverse Magnetometer, die mit Supraleitern stationäre Felder bis ca. 20 Tesla erreichen. Höhere Magnetfelder werden durch quasistatische bzw. dynamische Felderzeugung im Bereich von 40 bis 60 Tesla erreicht, um unter anderem auch an unkonventionellen Supraleitern und Heavy-Fermion Systemen arbeiten zu können sowie um quantenkritische Phänomene zu erforschen. •• Die experimentellen Systeme zur Messung physikalischer Größen wie z.B. der Magnetisierung und des elektrischen Widerstandes magnetischer Materialien im Hochfeldlabor AUSTROMAG sind zweigeteilt: •• Ein quasistatisches System, bei dem aus der 10 kV Ebene der Wiener Netze für eine Sekunde die Leistung von 10 MW entnommen wird. Mit Hilfe von Thyristor-Gleichrichtung können damit 2×6800 A bei 1680 V generiert werden, womit Felder bis 40 T erreicht werden. •• Ein dynamisches System mit Kondensatorbatterien, das durch Entladung gespeicherter Energie über eine

Veterinary Medicine, the Geo Centre, several City of Vienna administrative departments, the University of Leoben, the University of Graz, the Technical University of Graz, the University of Salzburg, the University of Salzburg, and the Academy Institute in Bratislava. In 2013, 377,000 litres of liquid nitrogen and 112,000 litres of liquid helium were supplied in total. The low temperature facility is responsible, in addition to the production and distribution of coolants, for servicing the infrastructure (the machines and the components of the recovery facility, approximately 120 Dewars, and two small trucks for transport are managed and serviced), training users in the handling of coolants, consulting services for the setup of new low temperature instruments, as well as providing assistance in case of problems. Herwig Michor, Roland Grössinger, Herbert Sassik AUSTROMAG Magnetism and its multifaceted applications are of great technological and economic importance. Everyday magnetic components are, for example, doors closers, usually simple ferrites, or the extremely small high-tech magnetic capsules in small ear buds and mobile telephones, which use samarium cobalt or neodymium iron boron magnets. These materials have all had to be developed and can still be improved. An understanding of such materials requires measurement facilities that not only enable their characterisation in a wide magnetic field range, but also in a wide temperature range. The Institute of Solid State Physics has been involved in the development of such measurement facilities and the above-mentioned materials for several decades (originally as the Institute for Experimental Physics) and operates a variety of magnetometers that reach stationary fields of up to 20 Tesla with superconductors, and in the low temperature range down to a few thousandths of a Kelvin. Higher magnetic fields in the range of 40 to 60 Tesla are reached using quasi-static or dynamic field generation, in order to facilitate work on non-conventional superconductors and heavy Fermion systems and

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Nutzung tiefer Temperaturen, sowie für die Hilfestellung bei auftretenden Problemen. Herwig Michor, Roland Grössinger, Herbert Sassik AUSTROMAG Magnetismus und dessen vielseitige Anwendungen haben hohe technologische und wirtschaftliche Bedeutung erlangt. Alltägliche Komponenten sind z.B. Magnetschließer für Türen, meist einfache Ferrite, und die extrem kleinen High-Tech Magnetkapseln in kleinen Kopfhörern und Mobiltelefonen auf Basis von Samarium-Kobalt bzw. Neodym-Eisen-Bor Magneten. Solche Materialien müssen entwickelt und verbessert werden. Zum Verständnis derartiger Materialien sind Messanlagen nötig, die eine Charakterisierung in einem weiten Magnetfeldbereich, aber auch in einem weiten Temperaturbereich ermöglichen. Das Institut für Festkörperphysik beschäftigt sich mit dem Aufbau solcher Messanlagen und den genannten Materialien schon seit einigen Jahrzehnten (ursprünglich als Institut für Experimentalphysik) und betreibt vor allem im Tieftemperaturbereich bis hin zu wenigen tausendstel Kelvin diverse Magnetometer, die mit Supraleitern stationäre Felder bis ca. 20 Tesla erreichen. Höhere Magnetfelder werden durch quasistatische bzw. dynamische Felderzeugung im Bereich von 40 bis 60 Tesla erreicht, um unter anderem auch an unkonventionellen Supraleitern und Heavy-Fermion Systemen arbeiten zu können sowie um quantenkritische Phänomene zu erforschen. •• Die experimentellen Systeme zur Messung physikalischer Größen wie z.B. der Magnetisierung und des elektrischen Widerstandes magnetischer Materialien im Hochfeldlabor AUSTROMAG sind zweigeteilt: •• Ein quasistatisches System, bei dem aus der 10 kV Ebene der Wiener Netze für eine Sekunde die Leistung von 10 MW entnommen wird. Mit Hilfe von Thyristor-Gleichrichtung können damit 2×6800 A bei 1680 V generiert werden, womit Felder bis 40 T erreicht werden. •• Ein dynamisches System mit Kondensatorbatterien, das durch Entladung gespeicherter Energie über eine

Veterinary Medicine, the Geo Centre, several City of Vienna administrative departments, the University of Leoben, the University of Graz, the Technical University of Graz, the University of Salzburg, the University of Salzburg, and the Academy Institute in Bratislava. In 2013, 377,000 litres of liquid nitrogen and 112,000 litres of liquid helium were supplied in total. The low temperature facility is responsible, in addition to the production and distribution of coolants, for servicing the infrastructure (the machines and the components of the recovery facility, approximately 120 Dewars, and two small trucks for transport are managed and serviced), training users in the handling of coolants, consulting services for the setup of new low temperature instruments, as well as providing assistance in case of problems. Herwig Michor, Roland Grössinger, Herbert Sassik AUSTROMAG Magnetism and its multifaceted applications are of great technological and economic importance. Everyday magnetic components are, for example, doors closers, usually simple ferrites, or the extremely small high-tech magnetic capsules in small ear buds and mobile telephones, which use samarium cobalt or neodymium iron boron magnets. These materials have all had to be developed and can still be improved. An understanding of such materials requires measurement facilities that not only enable their characterisation in a wide magnetic field range, but also in a wide temperature range. The Institute of Solid State Physics has been involved in the development of such measurement facilities and the above-mentioned materials for several decades (originally as the Institute for Experimental Physics) and operates a variety of magnetometers that reach stationary fields of up to 20 Tesla with superconductors, and in the low temperature range down to a few thousandths of a Kelvin. Higher magnetic fields in the range of 40 to 60 Tesla are reached using quasi-static or dynamic field generation, in order to facilitate work on non-conventional superconductors and heavy Fermion systems and

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Abb. 1: Kondensatorbatterie mit 10 kV Maximalspannung, durch deren Entladung über eine Spule ein Magnetfeldpuls erzeugt wird; rechts: Schnittzeichnung des dafür benutzten 60 T Magnetsystems mit Helium-Glaskryostat. Figure 1: Capacitor battery with 10 kV maximum voltage; the coil discharge generates a magnetic field pulse. Right: Section view of the 60-T magnet system with Helium glass cryostat.

Spule einen Magnetfeldpuls erzeugt, der ca. 0.02 sec dauert. Es sind zwei große Kondensatorbatterien verfügbar, die ca. ein halbes Mega-Joule Energieinhalt aufweisen und bei einer Maximalspannung von 10 kV je nach Spuleninnendurchmesser Felder bis zu 60 T ermöglichen. Allen Systemen gemeinsam ist das Problem extrem hoher Lorenzkräfte, die bei Strömen von über zehntausend Ampere auftreten, und zur Explosion von Hochfeldspulen führen können. Deshalb werden diese Spulen mit gehärteten Drähten aus z.B. Cu/Ag Legierung und mit elektrisch isolierenden Panzerungen gewickelt. Um die sehr hohen Ströme relativ verlustarm durch diese Spulen

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to be able to study quantum-critical phenomena, among other topics. The experimental systems in the high-field AUSTROMAG laboratory for the measurement of physical parameters, such as the magnetisation and the electrical resistance of magnetic materials, fall into two categories: •• A quasi-static system that withdraws a power of 10 MW for one second from the 10 kV level of the Vienna mains system. Using thyristor rectifiers, this makes it possible to generate2×6800 A at 1680 V, which is sufficient to reach fields of 40 T. •• A dynamic system with capacitor batteries that generates a magnetic pulse lasting about 0.02 seconds, via a discharge of stored energy through a coil. Two large capacitor batteries are available, which store about a half a megajoule of energy and make the generation of fields up to 60T possible at a maximum voltage of 10 kV, depending on the inner diameter of the coil. All systems share the problem of the extremely high Lorentz forces that arise at currents higher than ten

führen zu können, werden letztere zur Verringerung des elektrischen Widerstandes vor jedem Hochstromschuss mit flüssigem Stickstoff auf 77 K heruntergekühlt. Bei jedem dieser extremen Strompulse erwärmt sich eine Hochfeldspule nämlich um bis zu 300 Grad. Andrey Prokofiev, Silke Bühler-Paschen Einkristallzucht Die Verfügbarkeit von hochwertigen Einkristallen ist Voraussetzung für viele grundlegende Untersuchungen neuartiger Materialien. Zur Bestimmung der elektronischen, magnetischen und phononischen Struktur kristalliner Materie (z.B. mittels Neutronen- oder Lichtstreuexperimenten) sowie zur Aufklärung von Anisotropieeffekten und für hochgenaue Tieftemperaturmessungen intrinsischer Materialeigenschaften ist sie unverzichtbar. Am Institut für Festkörperphysik wurde in den letzten zehn Jahren eine umfangreiche Infrastruktur zur Einkristallzucht von intermetallischen Verbindungen aufgebaut. Folgende Techniken stehen zur Verfügung: •• Floating-Zone-Technik mit optischer Heizung im 4-Spiegelofen (Abb. 1): Oft ist die Verwendung von Tiegeln nicht möglich, weil die Schmelze des zu züchtenden Materials mit dem Tiegelmaterial reagiert. Die Schwebezone, die in dieser tiegelfreien Technik über Kapillarkräfte zusammengehalten wird, kommt während der Zucht mit keinem fremden Material in Kontakt und bleibt so frei von Verunreinigungen. Die maximale Leistung von 6 kW ermöglicht die Kristallzucht von Materialien mit Schmelzpunkten von bis zu 2200°C. •• Wachstum im 4-Lichtbogenofen: Im 35 kW Ofen werden Materialien per Lichtbögen geschmolzen, die von vier Elektroden ausgehen. Einkristalle werden aus der Schmelze mit der so genannten Czochralski-Methode hergestellt. •• In unseren Labors können Einkristalle entweder aus dem Fluss oder mittels Gasphasentransports gezüchtet werden.

thousand ampere, and that can cause the explosion of high field coils. For this reason, coils are manufactured using hardened wire made from, for example, a Cu/Ag alloy and wound with electrically insulating armour. In order to be able to conduct very high currents through these coils with relatively low losses, liquid nitrogen is used to cool the coils down to 77 K to lower the electrical resistance prior to each high-current jolt. Each extreme current pulse actually heats a high-field coil by up to 300 degrees. Andrey Prokofiev, Silke Bühler-Paschen Single Crystal Growth The availability of high-quality single crystals is a prerequisite for the in-depth investigation of new materials. It is indispensable for determining the electronic, magnetic, and phononic structures of crystalline materials (for example, using neutron or light scattering experiments), as well as for resolving anisotropy effects and for high-precision low temperature measurements of intrinsic material properties. An extensive infrastructure for the single crystal growth of intermetallic compounds has been established at the Institute of Solid State Physics over the last ten years. The following techniques are available: Floating zone technique with 4-mirror optical heating (Fig. 1): Often the use of crucibles is not possible because of the reaction of the melt and the crucible material. The floating zone, which is held together via capillary forces in this crucible-free technique, does not come into contact with foreign materials during growth, therefore remaining free of contaminants. The maximum power–6 kW–makes the crystal growth of materials with melting points of up to 2.200 °C possible. Growth in a tetra-arc furnace: In the 35-kW oven, materials are melted via electric arcs originating from four electrodes. The Czochralski method is used to produce single crystals from the melt. In our laboratories single crystals can be grown either from flux or via gas phase transport.

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führen zu können, werden letztere zur Verringerung des elektrischen Widerstandes vor jedem Hochstromschuss mit flüssigem Stickstoff auf 77 K heruntergekühlt. Bei jedem dieser extremen Strompulse erwärmt sich eine Hochfeldspule nämlich um bis zu 300 Grad. Andrey Prokofiev, Silke Bühler-Paschen Einkristallzucht Die Verfügbarkeit von hochwertigen Einkristallen ist Voraussetzung für viele grundlegende Untersuchungen neuartiger Materialien. Zur Bestimmung der elektronischen, magnetischen und phononischen Struktur kristalliner Materie (z.B. mittels Neutronen- oder Lichtstreuexperimenten) sowie zur Aufklärung von Anisotropieeffekten und für hochgenaue Tieftemperaturmessungen intrinsischer Materialeigenschaften ist sie unverzichtbar. Am Institut für Festkörperphysik wurde in den letzten zehn Jahren eine umfangreiche Infrastruktur zur Einkristallzucht von intermetallischen Verbindungen aufgebaut. Folgende Techniken stehen zur Verfügung: •• Floating-Zone-Technik mit optischer Heizung im 4-Spiegelofen (Abb. 1): Oft ist die Verwendung von Tiegeln nicht möglich, weil die Schmelze des zu züchtenden Materials mit dem Tiegelmaterial reagiert. Die Schwebezone, die in dieser tiegelfreien Technik über Kapillarkräfte zusammengehalten wird, kommt während der Zucht mit keinem fremden Material in Kontakt und bleibt so frei von Verunreinigungen. Die maximale Leistung von 6 kW ermöglicht die Kristallzucht von Materialien mit Schmelzpunkten von bis zu 2200°C. •• Wachstum im 4-Lichtbogenofen: Im 35 kW Ofen werden Materialien per Lichtbögen geschmolzen, die von vier Elektroden ausgehen. Einkristalle werden aus der Schmelze mit der so genannten Czochralski-Methode hergestellt. •• In unseren Labors können Einkristalle entweder aus dem Fluss oder mittels Gasphasentransports gezüchtet werden.

thousand ampere, and that can cause the explosion of high field coils. For this reason, coils are manufactured using hardened wire made from, for example, a Cu/Ag alloy and wound with electrically insulating armour. In order to be able to conduct very high currents through these coils with relatively low losses, liquid nitrogen is used to cool the coils down to 77 K to lower the electrical resistance prior to each high-current jolt. Each extreme current pulse actually heats a high-field coil by up to 300 degrees. Andrey Prokofiev, Silke Bühler-Paschen Single Crystal Growth The availability of high-quality single crystals is a prerequisite for the in-depth investigation of new materials. It is indispensable for determining the electronic, magnetic, and phononic structures of crystalline materials (for example, using neutron or light scattering experiments), as well as for resolving anisotropy effects and for high-precision low temperature measurements of intrinsic material properties. An extensive infrastructure for the single crystal growth of intermetallic compounds has been established at the Institute of Solid State Physics over the last ten years. The following techniques are available: Floating zone technique with 4-mirror optical heating (Fig. 1): Often the use of crucibles is not possible because of the reaction of the melt and the crucible material. The floating zone, which is held together via capillary forces in this crucible-free technique, does not come into contact with foreign materials during growth, therefore remaining free of contaminants. The maximum power–6 kW–makes the crystal growth of materials with melting points of up to 2.200 °C possible. Growth in a tetra-arc furnace: In the 35-kW oven, materials are melted via electric arcs originating from four electrodes. The Czochralski method is used to produce single crystals from the melt. In our laboratories single crystals can be grown either from flux or via gas phase transport.

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Currently, emphasis is on the growth of intermetallic compounds that exhibit specific quantum properties, such as quantum critical heavy fermion systems, Kondo insulators, or unconventional superconductors. Herbert Störi The Vienna Scientific Cluster (VSC) Project

Abb. 1: 4-Spiegelofen. Einsatz: Ein gezüchteter Einkristall. Figure 1: 4-mirror furnace, used for a grown single crystal.

Derzeit liegt das Hauptaugenmerk auf dem Wachstum von intermetallischen Verbindungen, die besondere Quanteneigenschaften zeigen, wie z.B. quantenkritische Schwere-Fermionen-Systeme, Kondo-Isolatoren oder unkonventionelle Supraleiter. Herbert Störi Das Projekt Vienna Scientific Cluster (VSC) Die österreichischen Universitäten verfügen heute über eine international konkurrenzfähige Infrastruktur für Hochleistungsrechnen. Wesentliche Impulse gingen dabei von der Physik als ursprünglich größter Bedarfs­ trägerin aus. Neben der Bereitstellung der für wissenschaftliche Projekte erforderlichen Rechenleistung war dabei von Anfang an Energieeffizienz ein wesentlicher Aspekt. Neben den beachtlichen Energiekosten war die

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Austrian universities have an internationally ranked infrastructure for high-performance computing. Physics, with its great computing needs, provided the original primary impetus for the foundation of the cluster. Aside from providing the computing power required for an array of scientific projects, maintaining energy efficiency has been a central aspect from the very beginning. A significant incentive for energy efficiency was, aside from the significant cost savings, the opinion that universities have a duty to lead by example. The main aspect that provides opportunities to conserve energy is cooling, since we have no real influence on the development of processors, memory chips, and circuit boards. From the point of view of physics, the primary aim is to whisk heat from the electronics into the surrounding environment, without the generation of entropy beyond what is absolutely necessary. Project VSC originated from a discussion among members of the physics community in 2007. It was determined that while Vienna had internationally recognised scientists in computational science and especially in computational materials science (CMS), the computational infrastructure required to run the corresponding programmes locally was absent. In the past, individual universities had not succeeded in providing internationally competitive computational resources for longer periods of time. In the end, the University of Vienna, the University of Natural Resources and Life Sciences, and the TU Wien decided to create a joint programme and provided a total of € 2M in investments and three salaried positions from their respective general budgets. Technical operations were entrusted to the TU Wien. The result was the VSC-1, which went into operation in late

Currently, emphasis is on the growth of intermetallic compounds that exhibit specific quantum properties, such as quantum critical heavy fermion systems, Kondo insulators, or unconventional superconductors. Herbert Störi The Vienna Scientific Cluster (VSC) Project

Abb. 1: 4-Spiegelofen. Einsatz: Ein gezüchteter Einkristall. Figure 1: 4-mirror furnace, used for a grown single crystal.

Derzeit liegt das Hauptaugenmerk auf dem Wachstum von intermetallischen Verbindungen, die besondere Quanteneigenschaften zeigen, wie z.B. quantenkritische Schwere-Fermionen-Systeme, Kondo-Isolatoren oder unkonventionelle Supraleiter. Herbert Störi Das Projekt Vienna Scientific Cluster (VSC) Die österreichischen Universitäten verfügen heute über eine international konkurrenzfähige Infrastruktur für Hochleistungsrechnen. Wesentliche Impulse gingen dabei von der Physik als ursprünglich größter Bedarfs­ trägerin aus. Neben der Bereitstellung der für wissenschaftliche Projekte erforderlichen Rechenleistung war dabei von Anfang an Energieeffizienz ein wesentlicher Aspekt. Neben den beachtlichen Energiekosten war die

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Austrian universities have an internationally ranked infrastructure for high-performance computing. Physics, with its great computing needs, provided the original primary impetus for the foundation of the cluster. Aside from providing the computing power required for an array of scientific projects, maintaining energy efficiency has been a central aspect from the very beginning. A significant incentive for energy efficiency was, aside from the significant cost savings, the opinion that universities have a duty to lead by example. The main aspect that provides opportunities to conserve energy is cooling, since we have no real influence on the development of processors, memory chips, and circuit boards. From the point of view of physics, the primary aim is to whisk heat from the electronics into the surrounding environment, without the generation of entropy beyond what is absolutely necessary. Project VSC originated from a discussion among members of the physics community in 2007. It was determined that while Vienna had internationally recognised scientists in computational science and especially in computational materials science (CMS), the computational infrastructure required to run the corresponding programmes locally was absent. In the past, individual universities had not succeeded in providing internationally competitive computational resources for longer periods of time. In the end, the University of Vienna, the University of Natural Resources and Life Sciences, and the TU Wien decided to create a joint programme and provided a total of € 2M in investments and three salaried positions from their respective general budgets. Technical operations were entrusted to the TU Wien. The result was the VSC-1, which went into operation in late

Auffassung, dass Universitäten hier mit gutem Beispiel vorangehen sollten, ein wesentlicher Ansporn für Energieeffizienz. Nachdem die Entwicklung von Prozessoren, Speichern und Platinen nicht in unserer Hand ist, ist die Kühlung der wesentliche Punkt, an dem man hier ansetzen kann. Aus Sicht der Physik ist das wesentliche Ziel die Abfuhr der Wärme aus der Elektronik in die Umgebung, ohne dabei mehr Entropie zu erzeugen als unbedingt erforderlich. Der Ursprung des Projektes VSC war eine Diskussion im Kreise der Physik im Jahr 2007. Es wurde festgestellt, dass Wien zwar über international anerkannte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Bereich Computational Science, insbesondere Computational Materials Science (CMS) verfügt, aber nicht über die erforderliche Rechner-Infrastruktur, um entsprechende Programme auch lokal rechnen zu können. In der Vergangenheit war es einzelnen Universitäten nicht gelungen, über längere Zeit kontinuierlich international konkurrenzfähige Rechnerressourcen bereitzustellen. Letztlich haben sich dann die Universität Wien, die Universität für Bodenkultur und die TU Wien zu einem gemeinsamen Vorgehen entschlossen und insgesamt 2 Mio. € an Investitionsmitteln und drei Personalstellen aus ihren jeweiligen Globalbudgets bereitgestellt. Die TU Wien wurde mit dem technischen Betrieb betraut. Das Ergebnis war der im Spätherbst 2009 in Betrieb genommene VSC-1 mit Standort Freihaus. Mit 35 TeraFlops war er Nummer 156 in der Weltrangliste TOP500 und seit 2003 das erste österreichische System in dieser Liste. Diese Performance wurde durch den Einsatz der damals ganz neuen Nehalem-Prozessoren von Intel ermöglicht. Anstatt klassischer Kühlung über den Doppelboden wurde hier ein sogenanntes Warmgang-Konzept realisiert, bei welchem alle Komponenten die warme Kühlluft in einen zentralen Gang blasen, von wo diese abgesaugt und rückgekühlt wird. Die erfolgreiche Kooperation mehrerer Universitäten veranlasste das Bundesministerium für Wissenschaft und Forschung das Projekt VSC im Rahmen der Leistungsvereinbarungen 2010-2012 von TU Wien und Uni-

Abb. 1: Die einzelnen Rechenknoten des VSC-3 und ein Teil seiner Netzwerkkomponenten sind in Ölwannen eingetaucht (Weiße Kästen). Die 23 Wannen enthalten mehr als 30.000 Liter Öl. Die gelben und roten Kabel sind Glasfaserkabel für die Vernetzung des Gesamtsystems. Figure 1: The individual computer nodes and part of the network components of VSC-3 are submerged in oil pans (white boxes). The 23 pans contain more than 30,000 litres of oil. The yellow and red cables are glass fibre cables networking the entire system.

fall of 2009, located in the Freihaus. With 35 teraflops, it was number 156 on the global TOP500 list and the first Austrian system to make that list since 2003. This high performance was made possible by Nehalem processors by Intel, at the time state-of-the-art. Instead of using a conventional double-floor cooling approach, a hot aisle concept was implemented where all components blow the warm exhaust air into a central duct from which it is withdrawn, cooled, and returned. The successful cooperation of several universities prompted the Federal Ministry of Science, Research and Economy to finance the VSC project with € 12M, as part of the 2010-2012 service agreements for the TU Wien and the University of Vienna. The result was the VSC-2 system at the new Arsenal location, which placed 56th in the world rank with over 150 teraflops. The system has more than 21,000 processor cores with energy efficient AMD 6132HE 8-core processors. Cooling doors, which were still prototypes when they were installed in 2011, are used on the backsides of the cabinets for cooling. The advantage of this cooling technique is the use of rel-

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versität Wien mit 12 Mio. € zu finanzieren. Ergebnis war das System VSC-2 am neuen Standort Arsenal, welches mit über 150 TeraFlops weltweit Rang 56 belegte. Das System verfügt über mehr als 21.000 Prozessorkerne in AMD 6132HE energieeffizienten 8-Kern Prozessoren. Zur Kühlung wurden hier Kühltüren an den Rückseiten der Schränke verwendet, welche bei der Installation im Jahre 2011 noch Prototypen waren. Der Vorteil dieser Kühltechnik ist die Kühlung mit relativ warmem Wasser (18°C), wodurch während großer Teile des Jahres keine Kompressoren zur Kühlung verwendet werden müssen. Im Jahr 2014 wurde schließlich der VSC-3 (Abb. 1) in Betrieb genommen, an dem auch die TU Graz und die Universität Innsbruck beteiligt sind. Das System erreichte mit ca. 600 TeraFlops Platz 85 in der Weltrangliste. Das Besondere an diesem System, das mit Intel „Ivy Bridge“ 8-Kern-Prozessoren ausgestattet ist, ist die Ölkühlung. Dabei wird die ganze Elektronik in ein spezielles Paraffinöl untergetaucht, das mit einem Wasserkreislauf mit Außenluft rückgekühlt wird. Selbst eine Nachnutzung der Wärme wäre hier möglich. Jedenfalls werden hier ganzjährig keine Kompressoren zur Kühlung benötigt, und der Energieverbrauch für die Kühlung trägt weniger als 10% zum Gesamtverbrauch des Systems bei. Silke Bühler-Paschen Das Vienna Microkelvin Laboratory Quantenphasenübergänge ereignen sich im Gegensatz zu klassischen Phasenübergängen wie dem Schmelzen von Wasser (bei 0° Celsius) oder dem ferromagnetischen Übergang von Eisen (bei knapp 760° Celsius) am absoluten Temperatur-Nullpunkt von minus 273.15° Celsius. Ihre Erforschung ist von großem Interesse, da quantenkritische Materialien mit Standardtheorien wie etwa der Landau´schen Theorie der Fermi-Flüssigkeit für Metalle nicht erklärt werden können. Auch treten in der Umgebung von quantenkritischen Punkten neuartige Phasen wie die der unkonventionellen Supraleitung auf. Einen neuen Akzent in der weltweiten Forschung an Quantenmaterialien setzt das im Juni 2011 am Institut

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atively warm water (18°C), with the result that for a large part of the year compressors are not needed for cooling. Finally, in 2014, the VSC-3 (Fig. 1), which also involved the TU Graz and the University of Innsbruck, became operational. The system placed 85th in the world, with around 600 teraflops. What is really special about this system, which is equipped with Intel Ivy Bridge 8-core processors, is the oil cooling. In this case, all electronics are submerged in a special Paraffin oil that heat-exchanges with the outside air through a water circulation system. With this system, it would even be possible to recycle the heat. In any case, compressors are not needed for cooling throughout the year, and the energy consumption for cooling amounts to less than 10% of the total consumption of the system. Silke Bühler-Paschen The Vienna Microkelvin Laboratory Quantum phase transitions occur, in contrast to classical phase transitions such as the melting of water (at 0° Celsius) or the ferromagnetic transition of iron (at close to 760° Celsius), at the absolute temperature zero of –273.15° Celsius. The investigation of these phase transitions is of great interest because the behaviour of quantum critical materials cannot be explained with standard theories such as, for example, the Landau theory of Fermi liquids for metals. In addition, novel phases such as unconventional superconductivity appear in the vicinity of quantum critical points. The Vienna Microkelvin Laboratory, inaugurated in June 2011 at the Institute of Solid State Physics, sets a benchmark in the worldwide research of quantum materials. The core piece of this laboratory is a nuclear demagnetisation refrigerator (Fig. 1) that can cool materials down to a few hundred millionths of a degree above the absolute zero in temperature. This expands the available measurement range significantly, permitting a deeper understanding of the interactions leading to transitions between different fundamental states of the material.

versität Wien mit 12 Mio. € zu finanzieren. Ergebnis war das System VSC-2 am neuen Standort Arsenal, welches mit über 150 TeraFlops weltweit Rang 56 belegte. Das System verfügt über mehr als 21.000 Prozessorkerne in AMD 6132HE energieeffizienten 8-Kern Prozessoren. Zur Kühlung wurden hier Kühltüren an den Rückseiten der Schränke verwendet, welche bei der Installation im Jahre 2011 noch Prototypen waren. Der Vorteil dieser Kühltechnik ist die Kühlung mit relativ warmem Wasser (18°C), wodurch während großer Teile des Jahres keine Kompressoren zur Kühlung verwendet werden müssen. Im Jahr 2014 wurde schließlich der VSC-3 (Abb. 1) in Betrieb genommen, an dem auch die TU Graz und die Universität Innsbruck beteiligt sind. Das System erreichte mit ca. 600 TeraFlops Platz 85 in der Weltrangliste. Das Besondere an diesem System, das mit Intel „Ivy Bridge“ 8-Kern-Prozessoren ausgestattet ist, ist die Ölkühlung. Dabei wird die ganze Elektronik in ein spezielles Paraffinöl untergetaucht, das mit einem Wasserkreislauf mit Außenluft rückgekühlt wird. Selbst eine Nachnutzung der Wärme wäre hier möglich. Jedenfalls werden hier ganzjährig keine Kompressoren zur Kühlung benötigt, und der Energieverbrauch für die Kühlung trägt weniger als 10% zum Gesamtverbrauch des Systems bei. Silke Bühler-Paschen Das Vienna Microkelvin Laboratory Quantenphasenübergänge ereignen sich im Gegensatz zu klassischen Phasenübergängen wie dem Schmelzen von Wasser (bei 0° Celsius) oder dem ferromagnetischen Übergang von Eisen (bei knapp 760° Celsius) am absoluten Temperatur-Nullpunkt von minus 273.15° Celsius. Ihre Erforschung ist von großem Interesse, da quantenkritische Materialien mit Standardtheorien wie etwa der Landau´schen Theorie der Fermi-Flüssigkeit für Metalle nicht erklärt werden können. Auch treten in der Umgebung von quantenkritischen Punkten neuartige Phasen wie die der unkonventionellen Supraleitung auf. Einen neuen Akzent in der weltweiten Forschung an Quantenmaterialien setzt das im Juni 2011 am Institut

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atively warm water (18°C), with the result that for a large part of the year compressors are not needed for cooling. Finally, in 2014, the VSC-3 (Fig. 1), which also involved the TU Graz and the University of Innsbruck, became operational. The system placed 85th in the world, with around 600 teraflops. What is really special about this system, which is equipped with Intel Ivy Bridge 8-core processors, is the oil cooling. In this case, all electronics are submerged in a special Paraffin oil that heat-exchanges with the outside air through a water circulation system. With this system, it would even be possible to recycle the heat. In any case, compressors are not needed for cooling throughout the year, and the energy consumption for cooling amounts to less than 10% of the total consumption of the system. Silke Bühler-Paschen The Vienna Microkelvin Laboratory Quantum phase transitions occur, in contrast to classical phase transitions such as the melting of water (at 0° Celsius) or the ferromagnetic transition of iron (at close to 760° Celsius), at the absolute temperature zero of –273.15° Celsius. The investigation of these phase transitions is of great interest because the behaviour of quantum critical materials cannot be explained with standard theories such as, for example, the Landau theory of Fermi liquids for metals. In addition, novel phases such as unconventional superconductivity appear in the vicinity of quantum critical points. The Vienna Microkelvin Laboratory, inaugurated in June 2011 at the Institute of Solid State Physics, sets a benchmark in the worldwide research of quantum materials. The core piece of this laboratory is a nuclear demagnetisation refrigerator (Fig. 1) that can cool materials down to a few hundred millionths of a degree above the absolute zero in temperature. This expands the available measurement range significantly, permitting a deeper understanding of the interactions leading to transitions between different fundamental states of the material.

Abb. 1: Kernentmagnetisierungskryostat des Vienna Microkelvin Laboratory am Institut für Festkörperphysik. Unterer (links) und oberer Teil (rechts) des Kernstücks des Kryostaten. Das Gerät erstreckt sich über drei Stockwerke. Figure 1: Nuclear demagnetisation refrigerator at the Vienna Microkelvin Laboratory of the Institute of Solid State Physics. Lower (left) and upper (right) parts of the cryostat core. The device stretches across three stories.

für Festkörperphysik eingeweihte Vienna Microkelvin Laboratory. Kernstück dieses Labors ist ein so genannter „Kernentmagnetisierungskryostat“ (Abb. 1), mit dem Materialien auf bis auf wenige hundert Millionstel Grad über dem absoluten Temperatur-Nullpunkt von -273,15°C abgekühlt werden können. Damit wird der zur Verfügung stehende Messbereich erheblich erweitert, was erlauben wird, dem Wechselspiel zwischen verschiedenen Grundzuständen der Materie wirklich auf den Grund zu gehen. Am Institut für Festkörperphysik werden derzeit quantenkritische „Schwere Fermionensysteme“ untersucht. Unter diesen schon an sich exotischen Materialien mit Elektronenmassen vom bis zum Tausendfachen der freien Elektronenmasse zeigen einige ein völlig unerwartetes Verhalten, das der Forschung Rätsel aufgibt. Gerald Badurek Medizinische Strahlenphysik Derzeit entsteht in Wiener Neustadt mit MedAustron eines der modernsten Zentren für Ionentherapie in Europa, das neben der medizinischen Anwendung auch Strahlen für nichtklinische Forschung in den Bereichen Medizinische Strahlenphysik, Strahlenbiologie sowie Experimentalphysik zur Verfügung stellt. Aus diesem Grund hat sich die TU Wien von Anfang an zu einer Zusammenarbeit mit der MedAustron Errichtungs- und Betriebsgesellschaft EBG, der Projektentwicklungsgesellschaft PEG sowie der Medizinischen Universität Wien bekannt und ihr diesbezügliches Engagement unter anderem mit der Einrichtung einer Professur für Medizinische Strahlenphysik an der Fakultät für Physik ab Beginn des Jahres 2015 bekräftigt.

At the Institute of Solid State Physics, quantum critical heavy fermion systems are currently being investigated. Some of these exotic materials, with electron masses of up to a thousand times that of the free electron mass, exhibit completely unexpected behaviour that continues to baffle researchers. Gerald Badurek Medical Radiation Physics MedAustron, a cutting edge centre for ion therapy is currently under construction in Wiener Neustadt. In addition to medical applications, this centre will also provide beam time for non-clinical research in medical radiation physics, radiation biology, and experimental physics. For this reason, the TU Wien has pursued a collaboration with EBG MedAustron, a construction and operations company, with PEG MedAustron, an organiser of non-medical research and with the Medical University of

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Abb. 1: Kernentmagnetisierungskryostat des Vienna Microkelvin Laboratory am Institut für Festkörperphysik. Unterer (links) und oberer Teil (rechts) des Kernstücks des Kryostaten. Das Gerät erstreckt sich über drei Stockwerke. Figure 1: Nuclear demagnetisation refrigerator at the Vienna Microkelvin Laboratory of the Institute of Solid State Physics. Lower (left) and upper (right) parts of the cryostat core. The device stretches across three stories.

für Festkörperphysik eingeweihte Vienna Microkelvin Laboratory. Kernstück dieses Labors ist ein so genannter „Kernentmagnetisierungskryostat“ (Abb. 1), mit dem Materialien auf bis auf wenige hundert Millionstel Grad über dem absoluten Temperatur-Nullpunkt von -273,15°C abgekühlt werden können. Damit wird der zur Verfügung stehende Messbereich erheblich erweitert, was erlauben wird, dem Wechselspiel zwischen verschiedenen Grundzuständen der Materie wirklich auf den Grund zu gehen. Am Institut für Festkörperphysik werden derzeit quantenkritische „Schwere Fermionensysteme“ untersucht. Unter diesen schon an sich exotischen Materialien mit Elektronenmassen vom bis zum Tausendfachen der freien Elektronenmasse zeigen einige ein völlig unerwartetes Verhalten, das der Forschung Rätsel aufgibt. Gerald Badurek Medizinische Strahlenphysik Derzeit entsteht in Wiener Neustadt mit MedAustron eines der modernsten Zentren für Ionentherapie in Europa, das neben der medizinischen Anwendung auch Strahlen für nichtklinische Forschung in den Bereichen Medizinische Strahlenphysik, Strahlenbiologie sowie Experimentalphysik zur Verfügung stellt. Aus diesem Grund hat sich die TU Wien von Anfang an zu einer Zusammenarbeit mit der MedAustron Errichtungs- und Betriebsgesellschaft EBG, der Projektentwicklungsgesellschaft PEG sowie der Medizinischen Universität Wien bekannt und ihr diesbezügliches Engagement unter anderem mit der Einrichtung einer Professur für Medizinische Strahlenphysik an der Fakultät für Physik ab Beginn des Jahres 2015 bekräftigt.

At the Institute of Solid State Physics, quantum critical heavy fermion systems are currently being investigated. Some of these exotic materials, with electron masses of up to a thousand times that of the free electron mass, exhibit completely unexpected behaviour that continues to baffle researchers. Gerald Badurek Medical Radiation Physics MedAustron, a cutting edge centre for ion therapy is currently under construction in Wiener Neustadt. In addition to medical applications, this centre will also provide beam time for non-clinical research in medical radiation physics, radiation biology, and experimental physics. For this reason, the TU Wien has pursued a collaboration with EBG MedAustron, a construction and operations company, with PEG MedAustron, an organiser of non-medical research and with the Medical University of

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Für die medizinische Strahlentherapie liefert die auf einem Synchrotron basierende Beschleunigeranlage von MedAustron Protonen bis zu der für medizinische Anwendungen noch sinnvollen Maximalenergie von 250 MeV, sowie Kohlenstoffionen mit Energien bis zu 400 MeV pro Nukleon (Abb. 1). Derzeit befindet sich die gesamte Anlage noch im technischen Testbetrieb. Die ersten Patientenbehandlungen werden laut Plan ab Ende 2015/Anfang 2016 durchgeführt, im Vollbetrieb werden jährlich bis zu 1.200 Menschen von dieser gesundes Gewebe maximal schonenden Art der Strahlentherapie und internationaler Spitzenmedizin profitieren. Die für Experimentalphysik vorgesehenen Forschungsfelder, wie etwa Materialforschung, Detektorentwicklung, experimentelle Kernphysik, Protonen-Computertomographie, Strahlenschutz und Dosimetrie betreffen hauptsächlich den Protonenstrahl und erfordern oder werden begünstigt durch höhere Strahlenergien. Aus diesem Grund kann die Protonenenergie je nach Anforderungen bis auf etwa 800 MeV hochgefahren werden. Dieser Wert stellt einen Kompromiss dar, der auf der einen Seite zu einer geeigneten Leistungsfähigkeit für die angedachten Anwendungen der Experimentalphysik führt, und andererseits aufwändige Modifikationen des Beschleunigers, wie die ziemlich komplexe Kreuzung der Transitionsenergie, vermeidet. Zur Ablenkung und Führung des Kohlenstoffionenstrahls werden ohnehin Magnetfelder benötigt, die eine Beschleunigung von Protonen auf über 1GeV entsprechen. Demnach bestehen die für eine Erhöhung der Protonenenergie auf 800 MeV wichtigsten Modifikationen der Beschleunigerkomponenten (lediglich) darin, den Frequenzbereich des Hochenergiesystems zu erweitern und die Abschirmungswandstärken für das Synchrotron und die Extraktionslinien aus Gründen des Strahlenschutzes entsprechend zu vergrößern. Es ist selbstverständlich klar, dass die Behandlung von Patienten die zentrale Aufgabe von MedAustron ist, und alle anderen Forschungen nur in den Nachtstunden und an den Wochenenden durchgeführt werden können. Im Umkehrschluss garantiert dies dafür aber auch eine optimale Ausnutzung dieser großen und für Österreich ein-

134 |  Walid Hetaba et al.

Vienna from the very start, underlining its commitment by establishing a professorship for Medical Radiation Physics at the Faculty of Physics as of 2015. In medical radiation therapy, the synchrotron-based accelerator by MedAustron delivers protons up to a maximum energy of 250 MeV, relevant for medical applications, as well as carbon ions at energies of up to 400 MeV per nucleon (Fig. 1). The facility is currently still in the technical testing phase. The first patient treatment sessions are scheduled for the end of 2015/beginning of 2016. Once it is operating at full capacity, up to 1,200 persons will benefit annually from internationally top-rated medical care and a type of radiation therapy that is exceedingly gentle on healthy tissue. The research fields intended for experimental physics, such as materials science, detector development, experimental nuclear physics, proton computer tomography, radiation protection, and dosimetry primarily concern the proton beam and require, or are facilitated by, higher beam energies. For this reason, the proton energy can be ramped up to about 800 MeV, depending on the requirements. This value represents a compromise, which on the one hand provides suitable performance capability for the intended applications in experimental physics and, on the other hand, avoids expensive modifications to the accelerators, such as the complex mixing of the transition energy. In any case, the steering and guidance of the carbon ion beams requires magnetic fields that correspond to the acceleration of protons in excess of 1 GeV. As a result, the modifications of the acceleration components most important for increasing the proton energy to 800 MeV involve (merely) expanding the frequency range of the high-energy systems and enhancing the shielding wall strengths for the synchrotron and the extraction lines to protect from radiation. It is understood that the core task of MedAustron is the treatment of patients, and that all other research can only be conducted at night or on weekends. On the flipside, this does assure the optimal use of the large and, for Austria, unique facility, which required a large investment and has significant operating costs.

maligen Anlage, die sowohl hohe Investitionen als auch beträchtliche Betriebskosten erfordert. Auch das Europäische Kernforschungszentrum CERN, das sowohl am Design und am Bau des Med Austron Beschleunigers federführend beteiligt war, hat sein Interesse an einer intensiven Kooperation mit der Fakultät für Physik und mit MedAustron bekundet. Die Generaldirektion des CERN ist dazu bereit, im Rahmen eines unbefristeten Vertrages die Kosten für eine Professur für Beschleunigerphysik an unserer Fakultät zu tragen, wobei insbesondere im Hinblick auf das Future Circular Collider Projekt (FCC), das neue Konzepte für die dem LHC nachfolgende nächste Generation von Großbeschleunigern entwickeln soll, eine enge Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Supraleitung und der Elektronenmikroskopie angestrebt wird. Zusätzlich soll diese Professur auch das schon seit langem bestehende CERN/TU Wien Doktoratsprogramm stärken. Diese damit auch offiziellen Kooperationen mit MedAustron und CERN erweitern die Möglichkeiten einer exzellenten Ausbildung unserer Studierenden auf den physikalischen Spezialgebieten unter hochmodernen Technologien, auf die sie ohne diese Kooperationen nicht oder nur sehr eingeschränkt Zugang hätten.

Abb. 1: Blick in die Synchrotronhalle von MedAustron Figure 1: View of the MedAustron synchrotron building

The European Organization for Nuclear Research CERN, which played a leading role in the design and construction effort of the MedAustron accelerator, has expressed its interest in an intensive cooperation with the Faculty of Physics and MedAustron. The general directorate of CERN is ready to provide the funds for a Professorship of Accelerator Physics at our faculty as part of an open-ended contract, where the intent is to establish a close collaboration in the field of superconductivity and electron microscopy, particularly with regard to the Future Circular Collider Project (FCC), which is intended to develop new concepts for the next generation of large accelerators that will follow the LHC. In addition, this professorship is also intended to strengthen the long-standing CERN/TU Wien doctoral programme. These official collaborations with MedAustron and CERN expand our students’ opportunities for an excellent education in the different specialties of physics and to gain experience with cutting edge technologies to which they would have no or only very limited access without these collaborations.

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DIE BAUSTEINE DER MATERIE UND DEREN WECHSELWIRKUNGEN THE BUILDING BLOCKS OF MATTER AND THEIR INTERACTIONS Vom Kleinsten bis zum Größten – unter diesem Motto stehen die Forschungsaktivitäten, die im Rahmen dieses Forschungsschwerpunktes unternommen werden. Tatsächlich werden hier Probleme behandelt, die sich über viele Größenordnungen vom subatomaren Bereich bis hin zu intergalaktischen Distanzen erstrecken. “From the smallest to the largest” – this is the motto for research activities carried out within the framework of this core research topic. Indeed, this group addresses questions stretching across a broad range of dimensions, from the subatomic to the intergalactic.

Helmut Leeb, Daniel Grumiller, Anton Rebhan, Jochen Schieck

DIE SUCHE NACH DEM KLEINSTEN: KERN- UND TEILCHENPHYSIK THE SEARCH FOR THE SMALLEST: NUCLEAR AND PARTICLE PHYSICS Als ein wesentlicher Baustein der modernen Grundlagenforschung befasst sich Teilchenphysik mit den elementaren Bausteinen der Materie und den zwischen ihnen herrschenden fundamentalen Wechselwirkungen. An der TU Wien werden speziell Fragen der Kernphysik, der Gravitation und der Starken Wechselwirkung aus unterschiedlichen Perspektiven betrachtet und sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. In enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften werden experimentelle Forschungen am weltgrößten Beschleuniger LHC des CERN in Genf und am japanischen Hochenergie-Forschungsinstitut KEK in Tsukuba durchgeführt, sowie im Gran Sasso Untergrundlabor in Italien nach der sogenannten Dunklen Materie gesucht. Die theoretischen Problemstellungen können klarerweise unmittelbar an der TU Wien behandelt werden, wobei auch hier enge internationale Kooperationen bestehen, in deren Rahmen beispielsweise in der Stringtheorie Lösungsansätzen gesucht werden, die weit über die aktuelle Beschreibung der Teilchenphysik durch das sogenannte Standardmodell (SM) der Teilchenphysik hinausreichen. Die Frage nach den fundamentalen Bausteinen der Materie war eine der ersten naturwissenschaftlichen Fragen, die sich die Menschheit gestellt hat. Schon die alten Griechen haben sich lange vor der Zeitenwende mit dieser Frage beschäftigt. Dies spiegelt sich z.B. heute noch in der Bezeichnung „Atom“ wieder, ein Wort

A key component of modern basic research, particle physics deals with the elementary building blocks of matter and the fundamental interactions that take place between them. At the TU Wien, questions focussing on nuclear physics, gravitation, and the strong interactions are considered from various angles and studied theoretically as well as experimentally. In close collaboration with the Institute of High Energy Physics of the Austrian Academy of Sciences, experimental research is performed at the world’s largest accelerator – the LHC operated by CERN in Geneva – and at the Japanese High Energy Accelerator Research Organization KEK in Tsukuba. In the Gran Sasso underground laboratory in Italy, scientists are searching for so-called dark matter. Theoretical problems can clearly be handled directly at the TU Wien, whereby close international cooperations also exist through which, e.g., solution approaches in string theory are studied that extend far beyond the current description of particle physics offered by the so-called Standard Model of particle physics. The question of the fundamental building blocks of matter was one of the first scientific questions posed by humanity. The Greeks had considered this question long before the birth of Christ. This is still reflected today, for example, in the word atom, derived from the Greek term ‘τομος (indivisible). Closely related to the quest for the building blocks of matter is the view that complex natural observations can be conclusively explained on the basis of the small-

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das von der griechischen Bezeichnung ‘τομος (unteilbar) stammt. Mit dieser Suche eng verbunden ist die Sichtweise, komplexe Naturbeobachtungen anhand kleinster Bausteine und deren Eigenschaften schlüssig erklären zu können. Neben der Klassifizierung in fundamentale Bausteine ist die Frage nach grundlegenden Symmetrien ein weiterer wichtiger Schritt, um zu einem tieferen Naturverständnis zu gelangen. Fragen wie diese haben unter anderem zur Entwicklung des Periodensystems der Elemente oder zum sogenannten Standardmodell (SM) der Teilchenphysik beigetragen. Mit dem Standardmodell der Teilchenphysik beschreiben wir heute die uns bekannten fundamentalen Bausteine und deren Wechselwirkung untereinander. Wir unterteilen diese Bausteine, je nach ihrer Art der Wechselwirkung, in sogenannte Quarks und Leptonen. Insgesamt kennen wir sechs verschiedene Quarktypen und sechs verschiedene Leptonentypen. Die Wechselwirkung dieser Bausteine wird mit drei fundamentalen Kräften beschrieben, der elektromagnetischen, der schwachen und der starken Kraft. Die letzte offene Frage des Standardmodells, die Existenz des sogenannten Higgs-Bosons, wurde erst 2012 positiv beantwortet. Damit sind alle Bausteine des Standardmodells der Teilchenphysik experimentell nachgewiesen. Damit hat die Teilchenphysik allerdings nur ein Etappenziel geschafft – es gibt noch eine große Anzahl offener Fragen, die Teil der aktuellen Forschung, auch an der Technischen Universität Wien, sind. So enthält das Standardmodell die Gravitation, die dominierende Wechselwirkung bei astronomischen Beobachtungen, nicht. Wir gehen daher davon aus, dass das Standardmodell nur ein Teil einer umfassenderen Theorie sein kann. Kern- und Teilchenphysik ist Grundlagenforschung und wird fast ausschließlich von der Neugierde der Wissenschaftler getrieben. Bei der Suche nach Antworten werden allerdings oft unkonventionelle, kreative Wege beschritten, die oft unerwartete Entwicklungen für das Alltagsleben nach sich ziehen.

138 |  Helmut Leeb, Daniel Grumiller, Anton Rebhan, Jochen Schieck

est building blocks and their properties. In addition to the classification into basic building blocks, the question of fundamental symmetries is another important step towards achieving a deeper understanding of nature. Questions such as these have contributed to, among other things, the development of the periodic table of the elements and to the so-called Standard Model of particle physics. The Standard Model of particle physics describes the fundamental building blocks that are known to us today, and their interaction with one another. Depending on the type of interaction, we divide these building blocks into so-called quarks and leptons. In total, we know of six different types of quarks and six different types of leptons. Three fundamental forces describe the interaction of these building blocks: the electromagnetic force, the weak force, and the strong force. The last open question of the Standard Model, the existence of the socalled Higgs boson, was positively answered as recently as 2012. With that, all building blocks of the Standard Model of particle physics are experimentally verified. The field of particle physics has thereby reached one of their intermediate goals – but there are still a large number of open questions being explored in current research, at the TU Wien and elsewhere. For example, the Standard Model does not include gravitation, the dominant interaction in astrophysics and cosmology. We therefore assume that the Standard Model is just one part of a more fundamental theory. Nuclear and particle physics are basic research and are driven nearly exclusively by the curiosity of scientists. Their search for answers, however, often results in unconventional, creative paths being taken that frequently bring about unexpected developments in daily life. The Core of the Matter: Nuclear Physics Nuclear physics focuses on the understanding of nuclear forces as well as the study of the structure of atomic nuclei and their properties, especially in nuclear reactions. Research in this area has a long tradition at the Faculty

Der Kern der Sache: Kernphysik Gegenstand der Kernphysik ist das Verständnis der Kernkräfte sowie die Untersuchung der Struktur der Atomkerne und ihrer Eigenschaften, insbesondere in Kernreaktionen. Die Forschungen in diesem Bereich haben eine lange Tradition an der Fakultät für Physik, wobei sich dieser Forschungsbereich zwangsläufig im Umfeld des Forschungsreaktors am Atominstitut etabliert und wichtige Beiträge im Bereich der Kernreaktionen, der nuklearen Astrophysik und der Theorie der starken Wechselwirkung geliefert hat. Obwohl der Schwerpunkt der an der TU Wien betriebenen Kernphysik eher auf theoretischem Gebiet liegt, kann durch die seit jeher volle Einbindung in die internationale kernphysikalische Forschung auch experimentelle Forschung an internationalen Großanlagen durchgeführt werden. Bekannte experimentelle Ergebnisse der Gruppe sind etwa die Bestimmung der elektrischen Polarisierbarkeit des Neutrons sowie der Neutron-Elektron-Streulänge am Oak Ridge Electron Linear Accelerator (ORELA) in den USA. Aktuell ist die Gruppe des Atominstituts Mitglied der n_TOF Collaboration am CERN, welche grundlegende Wirkungsquerschnittsmessungen zum Verständnis der Nukleosynthese stabiler Elemente in Sternen und zur Entwicklung von Transmutationstechniken für die Reduktion von radioaktivem Abfall zum Ziel hat. Ein Forschungsschwerpunkt der Kernphysikgruppe liegt auf der Theorie und Anwendung von Kernreaktionen. Hauptziel ist die Einbindung moderner Kernstrukturmodelle sowie die Berücksichtigung des Aufbruchs von Kernen im Feld des Kollisionspartners. Dies sind wichtige Voraussetzungen für die Untersuchung der Eigenschaften von Atomkernen an der Grenze der nuklearen Bindung, die weltweit im Forschungsprogramm der derzeitigen und geplanten Beschleunigeranlagen für radioaktive Ionen, z.B. ISOLDE am CERN, Genf (CH), SPIRAL in Caen (F), FAIR in Darmstadt (D) enthalten sind. Im Hinblick auf Anwendungen von Kernreaktionen ist die Kerndatenevaluation eine weitere international bekannte Aktivität am Atominstitut. Im Zentrum steht dabei die

of Physics, with the field of research naturally becoming established near the research reactor at the Atominstitut, and making important contributions in the area of nuclear reactions, nuclear astrophysics, and the theory of the strong interaction. Even though nuclear physics at the TU Vienna is rather focused on theoretical aspects, experimental studies are also performed at large international facilities through the full integration in international nuclear physics collaborations. Among the internationally recognised experimental results of the group is the determination of two important structure constants of the neutron – the electrical polarisability of the neutron as well as the neutron-electron scattering length – at the Oak Ridge Electron Linear Accelerator (ORELA) in the USA. Currently, the Nuclear Physics group of the Atominstitut is a member of the n_TOF Collaboration at CERN, which determines reaction cross sections important for the understanding the nucleosynthesis of stable elements in stars and the development of transmutation techniques for the reduction of radioactive waste. One of the areas of focus of the Nuclear Physics group is the theory and application of nuclear reactions. The primary goal is the integration of modern nuclear structure models in reaction theory as well as the incorporation of the breakup of nuclei in the field of the collision partner. These are important prerequisites for studying the properties of atomic nuclei at the limits of nuclear binding – an essential part in the research programmes of the current and planned accelerators for radioactive ions, e.g., ISOLDE at CERN, Geneva (CH), SPIRAL in Caen (F), and FAIR in Darmstadt (D). With respect to applications of nuclear reactions, nuclear data evaluation is another internationally renowned activity of the Atominstitut. The focus here is on the determination of nuclear data uncertainties, which are important for general safety questions, as well as for technological developments such as nuclear fusion plants and the elimination of radioactive waste. The strong interaction, which serves as the basis for the formation of atomic nuclei, has many facets in the area of nuclear physics. On the one hand, many phe-

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Bestimmung der Unsicherheiten von Kerndaten, welche für allgemeine Sicherheitsfragen und technologische Entwicklungen wie Kernfusions- und Transmutationsanlagen l von Bedeutung sind. Die der Bildung von Atomkernen zugrundeliegende starke Wechselwirkung zeigt im kernphysikalischen Bereich viele Facetten. Einerseits lassen sich viele Phänomene der Kernphysik unter der Annahme verschwindender Quarkmassen (chirale Symmetrie) beschreiben und entsprechende Modelle werden für fundamentale Fragestellung im Rahmen von Hochpräzisionsexperimenten und der Hadronenphysik von der Kernphysikgruppe erfolgreich eingesetzt. Andererseits zeigt die starke Wechselwirkung Eigenschaften, die über jene einer einfachen Zweikörperkraft hinausgehen. Dazu zählt das komplexe Phänomen des „Quark Confinement“ (Quark Einschluss), welches die physikalisch beobachtbaren stark wechselwirkenden Elementarteilchen auf „farblose“ Kombinationen von Quarks (z.B. Protonen, Neutronen, π-Mesonen) einschränkt. Das fundamentale Verständnis dieser Phänomene auf der Basis der Theorie der starken Wechselwirkung ist ein weiterer Arbeitsbereich der Kernphysikgruppen. In numerischen Simulationen der Feldgleichungen der starken Wechselwirkung auf einem diskreten Raum-Zeitgitter konnten Hinweise auf das Auftreten von nichtstörungstheoretischen Phänomenen gefunden werden, die das Auftreten des Quark Einschlusses und der chiralen Symmetriebrechung bestätigen. „Divide et impera – teile und herrsche“ Mit der genauen Kenntnis über die kleinsten Bausteine der Materie erhofft man Klarheit über das Ganze zu erlangen oder es zu „beherrschen“ – im besten Wortsinne von „verstehen“. In der Teilchenphysik verfolgt man genau diesen Ansatz, um mehr über das Ganze zu lernen. Die Technische Universität Wien ist mit mehreren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die am Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften forschen, an aktuellen Experimenten der Teilchenphysik beteiligt. Aktuell arbei-

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nomena in nuclear physics can be described using the assumption of vanishing quark masses (chiral symmetry), and corresponding models are successfully used by the Nuclear Physics group to answer fundamental questions on high-precision experiments and in hadron physics. On the other hand, the strong interaction has properties that go beyond those of a simple two-body force. The complex phenomenon of quark confinement, which restricts the physically observable, strongly interacting, elementary particles to “colourless” combinations of quarks (e.g., protons, neutrons, and π-mesons) belongs to this category. The fundamental understanding of these phenomena on the basis of the theory of the strong interaction is another field of activity of the Nuclear Physics group. In numerical simulations of field equations of the strong interaction on a discrete space-time grid, indications of the occurrence of non-perturbative phenomena could be found, which confirm the occurrence of the quark confinement and the breaking of chiral symmetry. “Divide et Impera – Divide and Rule” With this detailed knowledge of the smallest building blocks of matter, one may hope to clarify the entire topic or to “master” it – in the best sense of the word “understand”. In particle physics, one follows precisely this approach in the quest to learn more about the entire topic. The TU Wien is involved in pioneering experiments in particle physics with numerous scientists performing research at the Institute of High Energy Physics (HEPHY) of the Austrian Academy of Sciences. They are currently working on both the CMS1 experiment at CERN in Geneva as well as on the Belle experiment at KEK in Japan. The CMS experiment is one of the two large detectors at the Large Hadron Collider (LHC) at the European Research Centre for Particle Physics, CERN. In the LHC, protons collide with one another. During this process, the energy of the protons is converted into new particles. In years 2011 and 2012, the Higgs boson was observed for the first time at the LHC. Fig. 1 shows the decay of a Higgs boson into two photons. The theory of the Higgs bos-

ten sie sowohl am CMS1-Experiment am CERN in Genf als auch am Belle-Experiment am KEK in Japan. Das CMS-Experiment ist eines der beiden Großdetektoren am Large Hadron Collider (LHC) am europäischen Forschungszentrum für Teilchenphysik, CERN. Im LHC kollidieren Protonen miteinander, dabei kann die Energie der Protonen in neue Teilchen umgewandelt werden. In den Jahren 2011 und 2012 wurde erstmalig das Higgs-Boson am LHC nachgewiesen. Abb. 1 zeigt den Nachweis eines Higgs-Boson-Zerfalls in zwei Photonen. Die Theorie des Higgs-Bosons wurde bereits 1964 entwickelt, mit der Zielsetzung, das Problem massiver Austauschteilchen zu lösen – erst beinahe 50 Jahre später konnte es experimentell nachgewiesen werden. Im Jahr 2013 wurde der Nobelpreis für Physik an Peter Higgs und François Englert für die Entwicklung des Brout-Englert-Higgs-Mechanismus verliehen. Die Wissenschaftler am HEPHY haben substantielle Beiträge zur Entwicklung, Aufbau und Betrieb des CMS-Detektors geliefert. In Wien wurde sowohl die erste Auswahlstufe des Detektors („Trigger“) und Teile des Spurdetektors entwickelt und gebaut. Aktuell werden die Daten aus dem Experiment nach Fragestellungen untersucht, die nicht Teil des Standardmodells der Teilchenphysik sind. Die Supersymmetrie („SUSY“) ist ein vielversprechender Kandidat, nachdem am LHC gesucht wird. So suchen Wissenschaftler derzeit nach einer Theorie, die z.B. auch die Gravitation einschließen würde. Außerdem werden verschiedene Detektorkomponenten optimiert, um in Zukunft den Nachweis neuer Teilchen im CMS-Experiment weiter zu verbessern. Darüber hinaus sind Wissenschaftler des HEPHY federführend am Aufbau des Belle II-Detektors am KEK-Forschungslabor in Japan beteiligt. In Wien werden der silizium-basierte Teil des Spurdetektors des Experiments entwickelt und Teile davon gebaut. Belle II ist das Nachfolgeexperiment von Belle, zu dem ebenfalls die Wissenschaftler der TU Wien beigetragen haben. Belle hat von 1999 bis 2010 Daten gesammelt und maßgeblich zum experimentellen Nachweis von Symmetrieeigenschaften beigetragen, für deren Existenz mindestens drei Quarkfamilien notwendig sind. Die Verletzung dieser Symmet-

Abb. 1: Zerfall eines Higgs-Bosons in zwei Photonen, nachgewiesen mit dem CMS-Experiment. Die länglichen grünen Balken reflektieren die Energiedeposition der beiden Photonen. Die orangenen Linien sind Spuren von Elementarteilchen, die als Beiprodukte bei der Kollision entstanden sind. Das blaue Gitter stellt Teile des Spurdetektors des Experiments dar Figure 1: Decay of a Higgs boson into two photons, verified with the CMS experiment. The long green bars reflect the energy deposition of the two photons. The orange lines are tracks of elementary particles produced as by-products during the collision. The blue mesh represents parts of the tracking detector used in the experiment

on was developed as early as 1964 with the objective of solving the problem of massive exchange particles – however, it nearly 50 years had passed before it could be experimentally verified. In 2013, the Nobel Prize in Physics was awarded to Peter Higgs and François Englert for the development of the Brout-Englert-Higgs mechanism. The scientists at HEPHY have made substantial contributions to the development, construction, and operation of the CMS detector. In Vienna, both the first selection stage for the detector (“Trigger”) and parts of the tracking detector were developed and constructed. Currently, data from the experiment is being examined to study questions beyond the Standard Model of particle physics. Supersymmetry (“SUSY”) is a promising candidate being searched for at the LHC. The scientists are currently searching for a theory that would, for example, also include gravitation. In addition, various detector components are being optimised to further improve the detection of new particles in the CMS experiment in the future.

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rie ist zwingend notwendig, um die im Universum beobachtete Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie zu erklären. Für das darunterliegende theoretische Modell wurde im Jahr 2008 Makoto Kobayahsi und Toshihide Masukawa der Nobelpreis für Physik verliehen. Belle II wird im Jahr 2016 in Betrieb gehen. Mit Hilfe von virtuellen Quanteneffekten wird man nach physikalischen Effekten suchen, die nicht durch das Standardmodell der Teilchenphysik erklärt werden können. Das Dunkle sichtbar machen Wie bereits diskutiert, kann das Standardmodell der Teilchenphysik nur ein Teil einer effektiveren, umfassenderen Theorie sein. Verschiedene kosmologische und astrophysikalische Messungen haben unabhängig voneinander gezeigt, dass die Materie im Standardmodell nur ca. 5% des gesamten Materie- und Energiebudgets des Universums ausmacht. Die restlichen 95% bestehen aus 27% sogenannter „Dunkler Materie“ und zu 68% aus sogenannter „Dunkler Energie“. Diese Beiträge werden nicht vom Standardmodell der Teilchenphysik erfasst. Die „Dunkle Energie“ ist verantwortlich für die beschleunigte Ausdehnung des Universums, während die „Dunkle Materie“ bisher nur über die Gravitation bei extrem großen Strukturen nachgewiesen werden konnte. Ein vielversprechender Ansatz für die Lösung des Rätsels der „Dunklen Materie“ postuliert die Existenz neuer, bisher unentdeckter Elementarteilchen. Man erwartet, dass diese „Dunkle Materie“-Teilchen nur sehr selten mit der aus dem Standardmodell bekannten Materie reagieren und dem experimentellen Nachweis bisher entgangen sind, da die dabei freiwerdende Energie nur extrem gering ist. Mit innovativen experimentellen Nachweismethoden versucht man, den Teilchen auf die Spur zu kommen. Seit 2013 ist die TU Wien im Rahmen der CRESST2-Kollaboration an der direkten Suche nach bisher unentdeckten, schwach wechselwirkenden Teilchen als möglichen Kandidaten für die „Dunkle Materie“ beteiligt. Bei den CRESST Experimenten, die zur Abschirmung der kosmi-

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Furthermore, scientists at HEPHY are playing a leading role in the construction of the Belle II detector at the KEK research laboratory in Japan. The silicon-based part of the experiment’s tracking detector is being developed, and parts of it constructed, in Vienna. Belle II is the successor experiment to Belle, to which scientists from the TU Wien have also contributed. From 1999 to 2010, Belle collected data and made a significant contribution to the experimental verification of symmetry properties, for the existence of which at least three families of quarks are necessary. The violation of this symmetry is absolutely necessary for explaining the asymmetry between matter and antimatter observed in the universe. Makoto Kobayahsi and Toshihide Masukawa were awarded the Nobel Prize in Physics in 2008 for the underlying theoretical model. Belle II will be put into operation in 2016. With the help of virtual quantum effects, researchers will search for physical effects that cannot be explained with the Standard Model of particle physics. Making the Dark Visible As already discussed, the Standard Model of particle physics can only be part of a more effective, more fundamental theory. Independently of one another, various cosmological and astrophysical measurements have shown that, in the Standard Model, matter accounts for no more than approximately 5% of the universe’s total matter and energy. Of the remaining 95%, 27% is dark matter and 68% is dark energy. These contributions are not included in the Standard Model of particle physics. Dark energy is responsible for the accelerated expansion of the universe while dark matter has, up to now, only been verifiable via gravitation with extremely large structures. A promising approach to solving the dark matter puzzle postulates the existence of new, until now undiscovered elementary particles. It is expected that these dark matter particles only very rarely interact with the matter known from the Standard Model and have thus so far eluded experimental detection. Using innovative experimental detection methods, attempts are being made to track down these particles.

schen Strahlung in einem unterirdischen Labor durchgeführt werden, verwendet man bis nahe an den absoluten Nullpunkt heruntergekühlte CaWO4-Kristalle (Abb. 2) als Detektoren. Ein „Dunkle Materie“-Teilchen ruft bei seinem Durchgang in ihnen eine winzige, mit einem genau an seiner Sprungtemperatur betriebenen Supraleiter nachweisbare Temperaturerhöhung hervor und löst außerdem eine schwache Lichtemission aus, deren „Stärke“ von der Art des einfallenden Teilchens abhängt. Bisher kann man weder die Masse der hypothetischen „Dunkle Materie“-Teilchen noch die Wahrscheinlichkeit für eine Reaktion mit der bekannten Materie aus fundamentalen Prinzipien herleiten. Der Massenbereich erstreckt sich von Bruchteilen der Masse eines Protons bis zu mehreren tausend Protonenmassen. Das CRESST-Experiment ist für einen Bereich von etwa einer Protonmasse bis zur fünf- bis zehnfachen Protonenmasse optimiert. Experimentell ist die Suche für diesen Massenbereich beschränkt durch Untergrundprozesse von Wechselwirkungen im Kristall mit von der Sonne generierten Neutrinos. In den nächsten Jahren will man mit CRESST den zugänglichen Massenbereich bis zu diesem Limit absuchen. Für den Nachweis schwerer „Dunkle Materie“-Teilchen muss die Größe des Experiments massiv erhöht werden. Momentan wird eine intensive Diskussionen über eine Fusion mit anderen „Dunklen Materie“-Experimenten geführt, die auf einer ähnlichen technischen Basis basieren. In der nächsten Dekade wird man hoffentlich entscheidende Hinweise über die Existenz und die Eigenschaften der „Dunklen Materie“ finden. Gravitation – schwach und schwer fassbar Momentan kennen wir vier fundamentale Wechselwirkungen, von denen drei im Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben sind. Die aus dem Alltag am besten bekannte Wechselwirkung, die Gravitation, ist nicht dabei. Sie ist sicher die am wenigsten verstandene Wechselwirkung. Ihre Stärke ist im Vergleich zu den anderen Wechselwirkungen vernachlässigbar klein und kann daher nur sehr schwer bei kleinen Distanzen ge-

Abb. 2: Kalzium-Wolframat-Kristall zum Nachweis bisher unentdeckter Teilchen, die Teil der „Dunklen Materie“ sein könnte Figure 2: Calcium-tungstate crystals for detecting previously undiscovered particles that may be part of dark matter

Since 2013, the TU Wien has, as part of the CRESST2 collaboration, been involved in the direct search for this until now undiscovered, weakly interacting particles as possible candidates for dark matter. In the CRESST experiments, which are carried out in underground laboratories to shield them from cosmic radiation, CaWO4 crystals, cooled down to a temperature just slightly above absolute zero, are used as detectors (Fig. 2). Upon its passage through the crystals a dark matter particle causes a minimal increase of temperature, which is read out by a superconductor operated exactly at its transition temperature, and, in addition, releases a weak light emission whose ”strength” depends on the type of incident particle. To date, it has been possible to derive neither the mass of the hypothetical dark matter particles nor the probability of a reaction with known matter using fundamental principles. The mass range spans from a fraction of the mass of a proton to that of several thousand protons. The CRESST experiment is optimised for a specific mass range – from about one to about five to ten times the mass of a proton. Experimentally, the search for this

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mass range is limited through processes by interactions in the crystal originating from neutrinos generated in the sun. In the coming years, CRESST will be used to search the accessible mass range up to this limit. In order to detect heavy dark matter particles, the size of the experiment must be massively increased. Discussions about a fusion with other dark matter experiments operating on a similar technical basis are currently underway. It is hoped that decisive signs of the existence and the properties of dark matter will be discovered in the coming decade. Gravitation – Weak and Difficult to Quantize Abb. 3: Der indische Physiker Arjun Bagchi erforscht im Rahmen eines Lise-Meitner Fellowships des FWF in Zusammenarbeit mit Daniel Grumiller die neuen holographischen Zusammenhänge in flachen Raumzeiten. Figure 3: Indian physicist Arjun Bagchi is researching new holographic relationships in flat space-times in collaboration with Daniel Grumiller as part of a Lise-Meitner Fellowship of the FWF.

messen werden. Bei sehr großen, galaktischen Abständen ist die Gravitation möglicherweise nicht komplett verstanden und man versucht durch die Einführung neuer Materiebeiträge, wie z.B. der „Dunklen Materie“, Abweichungen zu erklären. Im Gegensatz zu den drei anderen Wechselwirkungen wurden bisher weder ein Austauschteilchen, das Graviton, noch die klassische Manifestation in Form von Gravitationswellen nachgewiesen. Aber zumindest der Nachweis von Gravitationswellen könnte noch in diesem Jahrzehnt erfolgen. Eine Verbindung der Gravitation mit der Quantenmechanik, die Quantengravitation, stellt eine der größten Herausforderungen der Physik überhaupt dar. Experimentell werden die Beobachtungen sowohl durch die extreme Winzigkeit der Gravitation erschwert, als auch dadurch, dass es eine kosmische „Verschwörung” zu geben scheint, die Bereiche, in denen Gravitation sehr stark wird, von uns abschirmt – z.B. durch Ereignishorizonte von Schwarzen Löchern oder durch die inflationäre Phase im frühen Universum. Auf der theoretischen Seite gibt es unzählige konzeptuelle und technische Proble-

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We currently know of four fundamental interactions, three of which are described by the Standard Model of particle physics. The interaction most familiar from daily life, gravitation, is not among them. Without a doubt, it is the least understood interaction. Compared to the other interactions, its strength is negligibly small and is thus very difficult to measure over small distances. At very large galactic distances, gravitation is not fully understood, and attempts are being made to explain deviations by introducing new contributions of matter, such as dark matter. Unlike to the other three fundamental interactions, so far neither an exchange particle, the graviton, nor the classical manifestation in the form of gravitational waves has been detected. However, if they exist, gravitational waves will probably be discovered within the next decade. The combination of gravitation with quantum mechanics is one of the greatest challenges in physics that exist. Experimentally, these observations are made difficult both by the extreme minuteness of gravitation as well as by the fact that there appears to be a cosmic “conspiracy” that shields areas with very strong gravitation from us – e.g., through the event horizons of black holes or by the inflationary epoch in the early universe. On the theoretical side, there are countless conceptual and technical problems that stand in the way of a comprehensive understanding of quantum gravity.

me, die einem umfassenden Verständnis der Quantengravitation im Weg stehen. An der TU Wien beschäftigen wir uns sowohl experimentell als auch theoretisch mit all den offenen Aspekten der Gravitation. Aus Platzgründen gehen wir hier aber nur auf den wohl herausforderndsten der genannten Aspekte, die Quantengravitation, ein, deren besserem Verständnis wir an der TU Wien besonderes Augenmerk widmen. Eine Schlüsselrolle nimmt dabei die Gültigkeit des sogenannten „holographischen Prinzips” ein, welches besagt, dass eine Theorie der Quantengravitation in drei Dimensionen äquivalent ist zu einer gewöhnlichen Quantentheorie ohne Gravitation in zwei Dimensionen. Ähnlich wie bei einem Hologramm wird also die gesamte Information auf eine Oberfläche projiziert. Wenn dieses Prinzip in der Natur realisiert ist, können wir Probleme, die in der Quantengravitation auftreten, auf oft einfachere Problemstellungen innerhalb gewöhnlicher Quantentheorie ohne Gravitation zurückführen. Faszinierenderweise lassen sich mitunter auch komplizierte Probleme der gewöhnlichen Quantentheorie auf sehr einfache Probleme der Gravitation abbilden. Eine der zentralen Frage, denen wir im Rahmen internationaler Kooperationen nachgehen, ist, ob das holographischen Prinzip, mit dem man bisher so erfolgreich gearbeitet hat, wirklich, und wenn wie, in der Natur realisiert ist. Können aus dem holographischen Prinzip weitere, neue Anwendungen sowohl für die Teilchenphysik als auch für stark gekoppelte Systeme in kondensierter Materie abgeleitet werden? Einer von John Archibald Wheeler‘s berühmten Sprüchen, „Alles ist Geometrie”, passt sehr gut auf klassische Gravitation. Ein weiterer Spruch von ihm, „Alles ist Information”, könnte in der Quantengravitation Anwendung finden. Es gibt derzeit zahlreiche Hinweise auf die Nützlichkeit von Quanteninformationsmethoden in der Quantengravitation und umgekehrt. Unser Ziel ist es, diese unerwartete Verbindung zu analysieren und zu verstehen. Viele interessante holographische Fragestellungen lassen sich jedoch nicht mit Papier und Bleistift lösen, sondern nur mittels Computer – im Idealfall auf einem PC; wenn nicht anders

Researchers at the TU Wien are studying all unanswered aspects of gravitation, both experimentally as well as theoretically. For reasons of space, only one of the aforementioned aspects – the most challenging of them – is described here in detail: quantum gravity. On the theoretical side, the focus at the TU Wien is on obtaining a better understanding of quantum gravity. The key assumption made here is the validity of the so-called holographic principle. This principle states that a theory of quantum gravity in three dimensions is equivalent to a standard quantum theory without gravitation in two dimensions. Thus, like a hologram, all information is projected onto a surface. If this principle is realised in nature, we can trace problems that occur in quantum gravity to what are often simpler problems within standard quantum theory without gravitation. What is fascinating here is that even complex problems of standard quantum theory can be mapped to very simple problems of gravitation. One of the central questions we are following within the scope of international collaborations, is whether the holographic principle, which has been used so successfully up to now, is actually realised in nature and, if so, then how. Can new applications be derived from the holographic principle for both particle physics as well as for strongly coupled systems in condensed matter? One of John Archibald Wheeler’s famous sayings, “Everything is geometry”, fits in very well with classical gravitation. Another one of his quotations, “Everything is information”, could also apply to quantum gravity. There are currently numerous indicators for the usefulness of quantum information methods in quantum gravity and vice versa. Our aim is to analyse and understand this unexpected link. Some of the goals mentioned above can be achieved more easily if the problems are formulated in an appropriately small number of dimensions, an area in which the TU Wien has a great deal of know-how. However, many interesting holographic problems cannot be solved with just paper and pencil alone, but rather only with computers – ideally on a PC; if not otherwise possible, then at the high-performance computer of the Vienna Scientific Cluster (VSC).

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möglich, auch am Höchstleistungsrechner des Vienna Scientific Cluster (VSC). Starke Wechselwirkung Die stärkste fundamentale Wechselwirkung ist die starke Kernkraft, die für den Zusammenhalt von Atomkernen verantwortlich ist (die schwache Kernkraft ist dagegen für radioaktive Zerfälle verantwortlich). Der Large Hadron Collider am CERN wird auch dafür verwendet, die starke Kernkraft weiter zu erforschen. Durch Kollisionen von Blei-Ionen können die Protonen und Neutronen in einem Atomkern gleichsam aufgeschmolzen werden, und ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma erzeugt werden, wobei kurzzeitig Temperaturen von mehr als dem 100.000fachen des Sonneninneren erreicht werden. Es kann damit eine Materieform studiert werden, die während der ersten paar Mikrosekunden nach dem Urknall quasi die Ursuppe des Universums bildete. Das so erzeugte Quark-Gluon-Plasma weist einige überraschende Eigenschaften auf. Es bildet eine Quantenflüssigkeit, die die niedrigste spezifische Viskosität aller bekannten Materieformen aufweist, und seine enorm schnelle Thermalisierung gibt Rätsel auf. Die theoretische Beschreibung des Quark-Gluon-Plasmas ist ein Forschungsschwerpunkt am Institut für Theoretische Physik der TU Wien. So wurde durch Einsatz des Supercomputers VSC die weltweit aufwändigste Simulation von Quark-Gluon-Plasmainstabilitäten durchgeführt und mithilfe holographischer Methoden werden Modelle für die kollektiven Eigenschaften dieses Plasmas entworfen und studiert. Stringtheorie Am Institut für Theoretische Physik wird auch die Superstring-Theorie, die eine Vereinheitlichung von Quantengravitation und den fundamentalen Wechselwirkungen der Elementarteilchen verspricht, erforscht. In dieser Theorie gibt es neben den vertrauten drei räumlichen Dimensionen noch sechs weitere, die aber erst auf Ener-

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Strong Interactions The strongest fundamental interaction is the strong nuclear force, which is responsible for holding together atomic nuclei (the weak nuclear force, on the other hand, is responsible for radioactive decay). The Large Hadron Collider at CERN is used to further study the strong nuclear force, among other things. Through collisions of lead ions, the protons and neutrons which form an atomic nucleus can, so to speak, be molten, producing quark-gluon plasma, whereby temperatures greater than 100,000 times the interior of the sun are briefly reached. We are therefore able to study a form of matter that effectively formed the primordial soup of the universe in the first few microseconds following the Big Bang. The quark-gluon plasma produced in this way has a number of surprising properties. It forms a quantum fluid that has the lowest specific viscosity of all known forms of matter, and its enormously fast thermalisation is a mystery. The theoretical description of the quarkgluon plasma is a core research area of the TU Wien’s Institute for Theoretical Physics. The most complex simulation of quark-gluon plasma instabilities in the world was performed using of the VSC supercomputer. Using holographic methods, models for the collective properties of this plasma are being developed and studied. String Theory Superstring theory is also being explored at the Institute for Theoretical Physics, which promises to combine quantum gravity and the fundamental interactions of elementary particles. In this theory, in addition to the three familiar spatial dimensions, there are six further dimensions, which, however, only become accessible on the energy scales of quantum gravity. These six additional dimensions are formed by Calabi-Yau manifolds, whose geometric properties encode the details of the interactions of all elementary particles. Our likewise popular and renowned colleague Maximilian Kreuzer, who

gieskalen der Quantengravitation zugänglich werden. Diese sechs zusätzlichen Dimensionen werden durch sogenannte Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten gebildet, wobei deren geometrische Eigenschaften die Details der Wechselwirkungen von Elementarteilchen kodieren. Unser ebenso beliebter wie bekannter Kollege Maximilian Kreuzer, der im Jahr 2010 leider frühzeitig verstarb, hat dazu (zusammen mit Harald Skarke) die weltweit größte Datenbank an sechs-dimensionalen Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten geschaffen, mit knapp einer halben Milliarde Einträgen. Diese wird an der TU Wien von den Theoretikern verwaltet, die in internationalen Kollaborationen am Ausbau der Superstring-Theorie und der Erforschung ihrer mathematischen Grundlagen arbeiten. Die Superstring-Theorie liefert auch eine konkrete Realisierung des vorhin schon erwähnten holographischen Prinzips und einer dualen Beschreibung von stark wechselwirkenden Quantenfeldtheorien durch „einfache“ Gravitationstheorien. Abschluss und Neubeginn Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons am LHC in Genf im Jahr 2012 wurden alle Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik experimentell nachgewiesen. Damit ist die Entwicklung eines theoretischen Modells zu Beschreibung der mikroskopischen „Nano-nano-Physik“, d.h. der Physik die sich auf Größenskalen von 1018   m ereignet, erfolgreich abgeschlossen. Es gibt keine mikroskopische Messung, die nicht konsistent mit dem Standardmodell wäre. Dennoch ist das Standardmodell nur ein Zwischenschritt hin auf dem Weg zu einer noch grundlegenderen Beschreibung der fundamentalen Bausteine. Vielleicht kann man den aktuellen Status des Standardmodells vergleichen mit dem des Periodensystems der Elemente zum Ende des 19. Jahrhundert. Das Periodensystem stellte eine systematische Beschreibung der damals bekannten fundamentalen Bausteine dar. Erst durch die Entwicklung der Quantenmechanik wurde das Modell physikalisch charakterisierbar. Durch Streuexperimente und mit der Entdeckung der Kernspaltung

unfortunately passed away at much too young an age in 2010, created (together with Harald Skarke) the world’s largest database of six-dimensional Calabi-Yau manifolds, with nearly half a billion entries. This is managed by theoretical physicists at the TU Wien, who are working here in international collaboration on the development of superstring theory and the study of its mathematical foundations. Superstring theory also provides a concrete implementation of the previously mentioned holographic principle and of a dual description of strongly interacting quantum field theories through “simple” theories of gravity. Completion and New Beginning With the discovery of the Higgs boson at the LHC in Geneva in 2012, all particles of the Standard Model of particle physics were experimentally verified. The development of a theoretical model for describing the microscopic nano-nano physics, i.e., the physics that occurs on size scales of 1018 m, is thereby successfully completed. There is no microscopic measurement that would be inconsistent with the Standard Model. Nevertheless, the Standard Model is just an intermediate step on the path to an even more fundamental description of the basic building blocks. One can perhaps compare the current state of the Standard Model with that of the periodic table of elements at the end of the 19th century. The periodic table represents a systematic description of the fundamental building blocks known at that time. Only through the development of quantum mechanics was it possible to physically characterise the model. Through scattering experiments and with the discovery of nuclear fission, the era of nuclear physics began, making a detailed description of the more fundamental building blocks possible. The goal of modern particle physics is, like quantum mechanics and the periodic table of elements, to discover underlying physical principles or symmetries that will lead us to a new, more fundamental theory.

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wurde schließlich das Zeitalter der Kernphysik eingeleitet, einer tieferliegenden Beschreibung der fundamentaleren Bausteine. Ziel der modernen Teilchenphysik ist es, analog zur Quantenmechanik und dem Periodensystem der Elemente tieferliegende physikalische Prinzipen oder Symmetrien zu entdecken, die uns den Weg zu einer neuen, fundamentaleren Theorie führen. Es gibt bereits einige eindeutige Hinweise darauf, in welche Richtung man nach einer Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik schauen sollte. Die ungelösten Fragen kommen alle aus astrophysikalischen und kosmologischen Beobachtungen und nicht aus Messungen der Teilchenphysik. Es sind Fragen wie „Wie sieht die Quantengravitation aus?“, „Aus welchen Teilchen besteht die ‚Dunkle Materie’?“, „Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?“ und viele weitere. Die Fakultät für Physik der TU Wien mit ihren verschiedenen theoretischen und experimentellen Forschungsgruppen ist maßgeblich an der Suche nach Antworten zu diesen Schlüsselfragen der fundamentalen Physik des 21. Jahrhunderts beteiligt. Mit ihrem reichhaltigen Forschungsprogramm im Bereich der Teilchenphysik ist sie ideal für die Zukunft aufgestellt.

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There are already a number of clear indicators pointing to the direction in which scientists should look for an area of physics beyond the Standard Model of particle physics. All of the unsolved questions come from astrophysical and cosmological observations and not from measurements in particle physics. There are many questions, such as: What does quantum gravity look like? What particle does dark matter consist of? Why is there more matter than antimatter? The Faculty of Physics at the TU Wien, with its various theoretical and experimental research groups, is heavily involved in the search for answers to these key questions of the fundamental physics of the 21st century. With its rich research programme in the field of particle physics, it is ideally positioned for the future . Anmerkungen/Notes 1 CMS steht für „Compact Muon Solenoid” was mit kompakter Magnet für Myonen übersetzt werden kann 2 CRESST – Cryogenic rare event search with superconducting thermometers

Hartmut Abele

PHYSIK JENSEITS DES STANDARDMODELLS MIT KALTEN UND ULTRAKALTEN NEUTRONEN PHYSICS BEYOND THE STANDARD MODEL WITH COLD AND ULTRA-COLD NEUTRONS Es gibt Fragen, die die Menschheit schon immer beschäftigen. Wo kommen wir her, wo gehen wir hin, wie begann alles? Gibt es eine Urkraft, auf die sich alles zurückführen lässt? Und immer wieder die Faustische Frage: was hält die Welt im Innersten zusammen? Diesen Fragen geht die Neutronenund Quantenphysikgruppe am Atominstitut der TU Wien nach. Unsere sichtbare Welt, angefangen bei den kleinsten Strukturen der Quarks bis hin zu den Galaxienhaufen am Rande des Universums, lassen sich durch das sogenannte Standard Modell der Elementarteilchen erklären. Heute gerät dieses Modell an seine Grenzen und zeigt sich als unvollständig. Als alternative Beschreibungen werden die Supersymmetrie, Stringtheorien oder andere große Vereinheitlichungstheorien diskutiert. Gerade Fragen der Teilchenphysik bei höchsten Energien und der Kosmologie werden inzwischen durch Experimente auf dem anderen, niederenergetischen Ende der Energieskala beantwortet und zwar mit extrem langsamen, sogenannten „kalten“ und „ultrakalten“ Neutronen. Es ist ein Glücksfall, dass viele präzise messbare Größen der Neutronenphysik mit diesen Theorien „hinter dem Standardmodell“ verknüpft sind. So ist das elektrische Dipolmoment des Neutrons im Rahmen des Standardmodells praktisch null, die Supersymmetrie sagt aber einen von Null verschiedenen Wert in einem inzwischen durch Experimente eingeschränkten Bereich vorher. Die Lebensdauer des Neutrons wiederum legt die Neutronendichte etwa eine Sekunde nach dem Urknall fest, die

There are questions that have always puzzled mankind. Where do we come from? Where are we going? How did it all begin? Is there a primal force that is the cause of it all? And always the Faustian demand to detect the inmost force which binds the world. These are the questions pursued by the Neutron and Quantum Physics Group at the Atom­ institut of the TU Wien. Our visible world, from the smallest structures of quarks to the clusters of galaxies at the edge of the universe, can be explained by what we call the Standard Model of elementary particles. Today, this model is showing its limitations, revealing the fact that it is incomplete. Alternative descriptions that are being discussed include super symmetry, string theories, and other general unified theories. Answers, in particular to questions of particle physics at the highest energies and cosmology, are meantime being obtained through experiments at the other, low-energy end of the energy spectrum, namely using extremely slow, cold or ultra-cold neutrons. It is a lucky coincidence that many precisely measurable entities of neutron physics are linked with the theories “behind the Standard Model”. For example, as predicted by the Standard Model, the electrical dipole moment of the neutron is practically zero; super symmetry, however, predicts a value different from zero, in a range that has been has now been narrowed through experiments. The lifetime of the neutron, in turn, determines the neutron density that was present approximately one second after the Big Bang and thus available for the early synthesis of

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für die frühe Synthese der ersten Elemente zur Verfügung stand und zu dem beobachteten Heliumanteil von 25 % in unserem Universum führt. Die für derartige Berechnungen benötigten Reaktionswirkungsquerschnitte der schwachen Wechselwirkung, wie z. B. die Neutrino-Querschnitte, werden aber nicht direkt gemessen, sondern aus den Neutronendaten berechnet. Warum ist das Neutron ein eher unbekanntes Teilchen verglichen mit dem Elektron und dem Proton, obwohl wir alle, wie jegliche uns bekannte „normale“ Materie auch, ungefähr jeweils etwa zur Hälfte aus Neutronen und Protonen bestehen und die um einen Faktor 1800 leichteren Elektronen gewichtsmäßig vernachlässigbar sind? Nun, das Neutron bekommt man nicht zu Gesicht. Es ist in den Tiefen der Atomkerne verborgen, und seine Entdeckung im Jahr 1932 durch Chadwick war eine echte Überraschung, nachdem die anderen uns umgebenden Teilchen bereits bekannt oder, wie das Neutrino, zumindest vorhergesagt waren.

the first elements, and which led to the 25% helium content observed in our universe. The reaction cross-sections of the weak interaction that are necessary for such calculations, such as neutrino cross-sections, are not, however, measured directly but instead deduced from neutron data. Why is the neutron a largely unknown particle compared to the electron or the proton, even though approximately half of our bodies, and any “normal” matter we are aware of as well, consists of neutrons and protons, and the electrons, which are lighter by a factor of 1,800, are practically negligible in terms of weight? Well, you rarely catch sight of it. It is hidden in the depth of the atomic nuclei, and its discovery by Chadwick in 1932 was a complete surprise, even after the other particles which surround us had been discovered already or, like the neutrino, at least been predicted.

Beta-Zerfall des Neutrons

Of particular interest is the fact that a free neutron, which has a minimally larger mass than a proton, decays into a proton within 15 minutes while a decay energy of 782 keV is released, where in the process, for reasons of charge and lepton number conservation, an electron as well as also an electron antineutrino are emitted. The measurements of this three-body decay, such as momentum, spin, and angular distribution of the newly created particles, likewise contain parameters of the Standard Model that are required for processes in astroand particle physics, as well as cosmology. In particular, precision tests of the Standard Model are made possible by the fact that the Standard Model description of the neutron is over-determined by the multitude of the stated measurands, in contrast to the few free parameters. In the Standard Model of particle physics, only socalled left-handed particles participate in the processes of the weak interaction; right-handed neutrinos have to date not been observed. This fact became known through the unexpected measurement of parity violation in the beta-decay and during measurements of

Von besonderem Interesse ist die Tatsache, dass sich ein freies Neutron, das eine minimal höhere Masse besitzt als ein Proton, innerhalb von ca. 15 Minuten unter Freisetzung einer Zerfallsenergie von 782 keV in ein Proton verwandelt, wobei aus Gründen der Erhaltung der Ladung und der Leptonenzahl sowohl ein Elektron als auch ein Elektronantineutrino emittiert werden. Die Messgrößen dieses Dreikörperzerfalls, wie Impulse, Spins und Winkelverteilungen der neu entstandenen Teilchen, enthalten ebenfalls Parameter des Standardmodells, die für Prozesse in der Astro- und Teilchenphysik sowie der Kosmologie benötigt werden. Präzisionstests des Standardmodells werden insbesondere dadurch möglich, dass die Standardmodellbeschreibung des Neutrons wegen der wenigen freien Parameter durch die Vielzahl der genannten Messgrößen überbestimmt ist. Im Standardmodell der Teilchenphysik nehmen bei den Prozessen der schwachen Wechselwirkung nur sogenannte linkshändige Teilchen teil; rechtshändige Neu-

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Beta Decay of the Neutron

trinos wurden bisher noch niemals beobachtet. Bekannt wurde dies durch den überraschenden Nachweis der Paritätsverletzung im Beta-Zerfall und bei Messungen der Neutrinohelizität. Man kann diese Theorie charakterisieren, ohne auf die theoretischen Formeln einzugehen. Es gibt theoretische Argumente für die Paritätsverletzung, womit sich die Theorie wunderschön formulieren lässt. Die Ergebnisse widersprechen allerdings unserer Vorstellung des Urknalls, dass bei einer sehr hohen Symmetrie eine gleiche Anzahl an rechts- und linkshändigen Teilchen erzeugt werden sollte. Man führt die heutige Situation auf einen Prozess der spontanen Symmetriebrechung zurück, bei der es Relikte des rechtshändigen Sektors geben sollte. Hier setzen die Experimente zum Beta-Zerfall an der TU Wien ein. Beim Neutronenzerfall findet ein paritätsverletzender, also die Spiegelsymmetrie verletzender Dreikörperzerfall statt in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino, und Korrelationskoeffizienten geben Abhängigkeiten zwischen diesen Größen an. Die Neutrinohelizität führt beim Zerfall des Neutrons auf eine Winkelkorrelation zwischen dem intrinsischen Eigendrehimpuls (Spin) des Neutrons und dem Impuls (und damit der Ausbreitungsrichtung) des Neutrinos. Für die Messung dieser sogenannten Neutrinoasymmetrie werden die unbeobachteten Neutrinos aus den detektierten Protonen- und Elektronensignalen rekonstruiert. Diese Asymmetrie reagiert äußerst empfindlich auf eine eventuelle Beimischung rechtshändiger Neutrinos in der schwachen Wechselwirkung, und über ihre Messung können präzisere Massengrenzen für ein hypothetisches rechtshändiges W-Boson angegeben werden. Der experimentelle Trick besteht dabei darin, das Protonensignal durch die Erzeugung von Sekundärelektronen in ein leichter zu detektierendes Elektronensignal zu konvertieren. Abb. 1 zeigt den Testaufbau eines solchen Experiments, bei dem die entstehenden Sekundärelektronen durch starke Magnetfelder aus der Richtung des einfallenden Neutronenstrahls zum Elektronendetektor umgelenkt werden können. Anreiz zu diesen Arbeiten war, mit Messungen das ganz Große mit dem ganz Kleinen in Beziehung zu set-

Abb. 1: Christine Klauser (vorne) und Jaqueline Erhart beim Aufbau eines Testexperiments für Asymmetriemessungen beim Beta-Zerfall des Neutrons. Figure 1: Christine Klauser (front) and Jaqueline Erhart setting up an experiment for asymmetry measurements during β-decay of the neutron.

the neutrino helicity. One can characterise this theory without getting into the theoretical formulas. There are theoretical arguments for the parity violation, on the basis of which the theory can be elegantly formulated, however, the results contradict our perception of the Big Bang that, in the case of very high symmetry, an equal amount of right-handed and left-handed particles should have been created. The current situation is attributed to a process of spontaneous breaking of symmetry, which should give rise to relicts of the right-handed sector. This is where the beta-decay experiments at the TU Wien come into play. During neutron decay, a threebody decay takes place that violates parity, meaning it violates the mirror symmetry and gives rise to a proton, an electron, and an anti-neutrino, and correlation coefficients indicate their dependencies. During the decay of the neutron, neutrino helicity leads to an angular correlation between the intrinsic angular momentum (spin) of the neutron and the momentum (and therefore the transmission direction) of the neutrino. In order to measure this so-called neutrino asymmetry, the unobserved neutrinos are reconstructed from the detected proton and electron signals. In the weak interaction, this asymmetry is very sensitive to the possible admixture

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zen. Dass wir Menschen hier auf der Erde, wie schon erwähnt, zur Hälfte aus Neutronen und zur Hälfte aus Protonen bestehen, hat damit zu tun, dass in der Erdkruste dieses Verhältnis vorliegt. Dies ist eine Ausnahmesituation. Sonst im Universum sind es nämlich nur 14% Neutronen und 86% Protonen. Und eine Sekunde nach dem Urknall waren es noch 17% Neutronen. Die Neutronen zerfallen nach dem Urknall so lange, bis sie eingefangen werden, durch Kernreaktionen, und es bildet sich Helium, mit Spuren vom Deuteron und Lithium. Wie viel Helium gibt es heute im Universum nach dem Urknallmodell? Rechnen wir es aus: Die schwachen Wirkungsquerschnitte werden aus der Neutronenlebensdauer und der Korrelationsmessung bestimmt. Zusammen mit den Zahlen für die Wirkungsquerschnitte der Kernreaktionen, das ist der Input, erhält man Vorhersagen für das Vorkommen der Elemente im Universum, das ist der Output. Schauen Astronomen mit ihren Teleskopen nach, so bestätigen sich die Vorhersagen zur Synthese der frühen Elemente innerhalb von 9 Größenordnungen vom Helium über das Deuterium bis zum Lithium. Die schwache Wechselwirkung passt nicht nur im Kleinen im Reich der Elementarteilchen, sondern hat universale Gültigkeit über einen Zeitraum von 13.7 Milliarden Jahren. Zumindest über diesen Zeitraum waren die Wirkungsquerschnitte der Kernphysik und der Teilchenphysik soweit stabil, dass die Beobachtungen der Astronomie heute mit Rechnungen zur Situation vor 13.7 Milliarden Jahren in Einklang stehen, was auch die letzten Zweifler am Urknall überzeugte. Man hat dann aber eine weitere, dramatische Schlussfolgerung aus den Neutronendaten gezogen: Wenn wir unser Universum wie am Anfang auf die Waage legen und die Energie- und Massendichte bestimmen, so kommt es auf die Neutronen und Protonen – unsere bekannte Materieform mit Gewicht – gar nicht so sehr an. Unser Universum besteht zu 95% aus unbekannter „dunkler Energie“ und „dunkler Materie“, eines der großen Rätsel unserer Zeit. Später wurden diese Ergebnisse der Neutronenphysik durch die Beobachtungen der Hintergrundstrahlen von 3 Kelvin bestätigt.

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of right-handed neutrinos, and measurement makes it possible to provide more precise mass limits for a hypothetical right-handed W-boson. The experimental trick is to convert the proton signal into an electron signal, which is easier to detect, through the generation of secondary electrons. Fig. 1 shows the test setup of such an experiment, where the electrons can be redirected from the direction of the impinging neutron beam toward the electron detector using strong magnetic fields. The motivation behind this work was to create a correspondence of measurements of the very large with those of the very small. That we humans here on earth, as was already stated, consist of equal portions of neutrons and protons, is related to the fact that earth’s crust has the very same ratio. This is a special case. Everywhere else in the universe, the ratio is indeed only 14% neutrons and 86% protons. And one second after the Big Bang there were still 17% neutrons. The neutrons keep decaying after the Big Bang due to nuclear reactions until they are captured, and helium with traces of deuterium and lithium is created. How much helium exists today in the universe, according to the Big Bang model? Let’s calculate it: The weak effective cross-sections are calculated using neutron’s lifetime and the correlation measurement. Together with the numbers for the effective cross-section of the nuclear reactions, which is the input, one obtains predictions for the abundance of the elements in the universe, which is the output. When astronomers take a look with their telescopes, the predictions regarding the synthesis of the early elements are verified within 9 orders of magnitude, from helium to deuterium to lithium. The weak interaction is in agreement not only on the small scale in the realm of elementary particles, but also has universal validity across a time span of 13.7 billion years. At least for this time span, the effective cross-sections of nuclear physics and particle physics were stable to the extent that the observations of astronomy today agree with calculations of the situation 13.7 billion years ago, thus convincing even the last remaining sceptics of the Big Bang theory. However, a further, stunning, conclusion was also drawn from the neutron data: If we

Immer drängender wird nun eine Reihe essentieller offener Fragen. Als Beispiel sei genannt: Warum blieb nach dem Urknall so viel Materie (etwa wir mit unserer Erde) und so wenig Antimaterie übrig? Gibt es weitere zusätzliche Dimensionen von Raum und Zeit? War die Natur von Beginn an linkshändig? Waren die Naturkonstanten immer gleich? Können schwarze Löcher im Labor untersucht werden? Ist Antimaterie denselben Gesetzen unterworfen wie Materie? Ihre Beantwortung ist notwendig für eine selbstkonsistente Beschreibung der Natur. Gravitationsexperimente mit qBounce An der TU Wien wurde in vielen Gebieten der Physik die Präzision der Experimente in fast atemberaubender Weise gesteigert. Die höchste Genauigkeit wird oft erreicht, wenn das betrachtete System eine sehr geringe Energie hat. Mit „ultrakalten“ Neutronen, Ionen oder Atomen, bei Temperaturen von Millikelvin bis Submikrokelvin, können Energieänderungen bis herab zu 10−23 Elektronen-Volt nachgewiesen werden. Kommen wir nun von den ganz kleinen Dimensionen zu den ganz großen. Die Astronomie hat in den letzten Jahren ein ganz neues Weltbild geschaffen. Die Vermessung von Galaxien und Galaxienhaufen reicht bis zum Anfang unseres Universums. Einsteins Gravitationstheorie beschreibt die treibende Kraft für ein sich beschleunigt expandierendes Universum. Zum Studium der Gravitation und kosmologischer Fragestellungen wurde am Atominstitut in den letzten Jahren eine neue Methode der Resonanzspektroskopie entwickelt. Sie verbindet die beiden Themengruppen Gravitation und Quantenmechanik und erweitert die elektromagnetischen Verfahren von Purcel, Rabi und Ramsey auf Quantenzustände im Gravitationsfeld der Erde. Entscheidend dabei ist, dass nicht beliebige, sondern nur bestimmte, durch die Quantenmechanik beschriebene Energieniveaus möglich sind. Bei der Kernmagnetresonanz, die heutzutage auch in der medizinischen Bildgebung eine ungeheuer wichtige Rolle einnimmt, bestimmt ein starkes äußeres Magnetfeld –

weigh our universe as it was at the beginning and determine the energy and mass density, it turns out that the neutrons and protons – our known form of weighted matter – do not make all that much of a difference. About 95% of our universe consists of unknown dark energy and dark matter, one of the great mysteries of our time. These results from neutron physics were subsequently confirmed through observations of the 3-Kelvin background radiation. A number of unresolved questions are now becoming more and more pressing. Here a few examples: Why did so much matter (for example us and our earth) and so little antimatter remain after the Big Bang? Are there additional dimensions of space and time? Was nature left-handed from the very beginning? Were the natural constants always the same? Can black holes be studied in the laboratory? Is antimatter subject to the same laws as matter? Answering them is necessary for an internally consistent description of nature. Gravitational Experiments with qBounce At the TU Wien, the precision of experiments has been increasing at an almost breath-taking pace in many fields of physics. The highest precision is often reached when the observed system has very low energy. With ultra-cold neutrons, ions, or atoms, energy changes down to 10-23 electron volts can be verified at milliKelvin to sub-microKelvin temperatures. Now let’s go from the very small dimensions to the very large ones. Astronomy has created a completely new world view in the last few years. The measurement of galaxies and clusters of galaxies reaches back to the very start of our universe. Einstein’s theory of gravitation describes the driving force of a universe that expands at an accelerating rate. In order to study gravitation and cosmological problems, a new method of resonance spectroscopy has been developed at the Atominstitut over the last few years. It combines the fields of gravitation and quantum mechanics, and expands the electromagnetic methods

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Abb. 2: Spiegel zur Neutronenreflektion des qBounce – Experiments. Figure 2: Mirror for the neutron reflection of the qBounce – experiment.

meist von supraleitenden Spulen erzeugt – die Energieaufspaltung der magnetischen Momente der Atomkerne. Bei der Atomuhr spalten sich die Energieniveaus der Cäsiumatome im eigenen Magnetfeld auf. Tritt nun eine zweite Quanteneigenschaft hinzu, so ist die Grundlage für die Präzisionsmessungen geschaffen. Diese Eigenschaft besteht in der Möglichkeit, Übergänge zwischen den Energieniveaus zu erzeugen. Dabei ist die Energiedifferenz zwischen den beteiligten Niveaus die entscheidende Größe. Man strahlt eine genau zu dieser Differenz passende Hochfrequenzstrahlung ein, was Strahlungsübergänge bewirkt. Die Präzision hängt dann davon ab, wie genau die Übergangsfrequenz messbar ist. In Anlehnung an die Magnetresonanzspektroskopie (MRS) nennen wir die neue Technik Gravitationsresonanzspektroskopie (GRS). Dabei breitet sich ein Neutron im Schwerefeld der Erde über einem Spiegel aus (Abb. 2). Zustandsübergänge werden durch resonante Oszillationen des Spiegels ermöglicht. Bei der MRS-Technik hingegen wird ein magnetisches Moment eines Atoms, Moleküls, oder Nukleons in ein äußeres Magnetfeld platziert. Übergänge werden durch das Anlegen eines geeigneten Hochfrequenzfeldes erreicht. Wie bei einer dreiteiligen Rabi-Apparatur für Moleküle haben wir ein dreiteiliges GRS-Experiment entwickelt, ohne in irgend-

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of Purcel, Rabi, and Ramsey to quantum states in the gravitational field of earth. A critical aspect is the fact that not arbitrary but only specific energy levels are possible as determined by quantum mechanics. In the case of nuclear magnetic resonance, which today also plays an incredibly important role in medical imaging, a strong external magnetic field – usually generated using superconducting coils – determines the energy splitting of the magnetic moments of the atomic cores. In the case of the atomic clock, the energy levels of the caesium atoms split within the intrinsic magnetic field. If now a second quantum property enters the picture, the basis for precision measurement is provided. This feature arises from the possibility to generate transitions between the energy levels. In this context, the energy difference between the associated levels is the deciding factor. High-frequency radiation that matches this difference exactly is applied, thus inducing radiative transitions. The precision then depends on how precisely the transition frequency can be measured. Modelled after magnetic resonance spectroscopy (MRS), we call this new technique gravitational resonance spectroscopy (GRS). In the process, a neutron spreads across a mirror in the gravitational field of earth (Fig. 2). State transitions are made possible through resonant oscillations of the mirror. In the case of the MRS technique, on the other hand, the magnetic moment of an atom, molecule or nucleon is placed in an external magnetic field and transitions are induced by applying an appropriate high-frequency field. Just as in the case of a three-part Rabi apparatus for molecules, we have developed a three-part GRS experiment without involving electromagnetic forces in any way. These highly precise measurements permit the study of Newton’s gravitational theory at very small distances of less than one millimetre. On the whole, Newton’s theory is well confirmed. It accurately describes gravitation on the scale of millimetre distances, as was shown using rotational pendulums. The earth-moon system – within which distances are known down to the millimetre – and planetary movements follow the prediction

einer Form auf elektromagnetische Kräfte zurückzugreifen. Die hochpräzisen Messungen erlauben es, Newtons Gravitationstheorie bei ganz kleinen Abständen unter einem Millimeter genau zu überprüfen. Insgesamt zeigt sich Newtons Theorie gut bestätigt. Sie beschreibt die Gravitation bei Millimeterabständen richtig, wie mit Drehpendeln gezeigt wurde. Das System Erde – Mond – der Abstand ist auf Millimeter genau bekannt – und die Planetenbewegungen folgen exakt der Vorhersage. Allerdings hat Newtons Theorie ihre Grenzen und kann zum Beispiel die beschleunigte Expansion des Universums überhaupt nicht beschreiben. Hierfür braucht man Einsteins kosmologische Konstante. Wir wissen heute nicht, ob Einstein damit Recht hat. Eine plausible Alternative bieten sogenannte Quintessenztheorien, bei denen ein skalares Feld für die Expansion des Universums verantwortlich wäre. Die Experimente am Atominstitut lassen prinzipiell zwischen Einsteins kosmologischer

Abb. 3: (links) Quantensprünge im Gravitationsfeld der Erde; (rechts) ein hypothetisches „Chamäleonfeld“, das die Energieniveaus der linken Abbildung ändern würde Figure 3: (left) Quantum jumps in the gravitational field of earth; (right) a hypothetical “chameleon field” that would change the energy levels of the left figure

exactly. However, Newton’s theory has its limits and can, for example, not describe the accelerated expansion of the universe at all. To do that, Einstein’s cosmological constant is required. Today, we do not know whether Einstein was correct with that approach. A plausible alternative are the so-called quintessence theories, where a scalar field would be responsible for the expansion of the universe. The experiments at the Atominstitut are, in principle, capable of differentiating between Einstein’s cosmological constant and quintessence theories. In Fig. 3, a hypothetical chameleon field is sketched that, if it exists, would not only shift gravitational energy levels but would ultimately also drive the universe as a whole

Physik jenseits des Standardmodells mit kalten und ultrakalten Neutronen  | 155

Konstante und Quintessenztheorien differenzieren. In Abb. 3 ist ein hypothetisches Chamäleonfeld angedeutet, welches, falls es existiert, nicht nur die gravitativen Energieniveaus verschieben, sondern letztlich auch das Universum als Ganzes auseinandertreiben würde. Das qBounce Experiment bietet eine völlig neue Möglichkeit, auch noch weitere hypothetische gravitationsähnliche Kräfte und Felder entweder zu finden oder deren Existenz mit Sicherheit auszuschließen. Insgesamt zeigt sich, dass die Messgenauigkeit einen Stand erreicht hat, bei dem sehr grundlegende Fragen der Physik und der Kosmologie ins Blickfeld kommen, deren Klärung durch ausschließlich an Hochenergie-Beschleunigern durchgeführte Experimente wegen deren zu geringer Sensitivität nicht möglich ist. Hingegen sind bei niedrigsten Energien, wie sie mit Neutronenexperimenten zugänglich sind, die erwarteten Effekte zwar klein, aber dies wird mehr als ausgeglichen durch die extreme Präzision, die nach heutigen Stand der Technik damit erreichbar ist.

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apart. The qBounce experiment provides a completely new opportunity to either find additional hypothetical forces and fields similar to gravitation, or to exclude their existence with certainty. All in all, measurement precision has reached a level where very fundamental questions of physics and cosmology come into reach for low-energy experimentation, most of which cannot be answered using experiments performed on high-energy accelerators because of their insufficient sensitivity. On the other hand, while the expected effects at the lowest energies, such as being accessible in neutron experiments, are indeed small, this fact is more than compensated for by the extreme precision that these experiments can achieve based on today’s state-of-the-art in technology.

VERZEICHNIS DER AUTORINNEN UND AUTOREN INDEX OF AUTHORS Hartmut Abele, Univ. Prof. Dipl.-Phys. Dr. rer. nat., E141 – Atominstitut

Martin Gröschl, A. o. Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E134 – Institut für Angewandte Physik

Friedrich Aumayr, A. o. Univ. Prof. Mag. rer. nat. Dipl.Ing. Dr. techn., E134 – Institut für Angewandte Physik

Roland Grössinger, Univ. Prof. i.R. Dipl.-Ing. Dr. techn., E138 – Institut für Festkörperphysik

Gerald Badurek, Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E141 – Atominstitut, Dekan der Fakultät für Physik Ernst Bauer, Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E138 – Institut für Festkörperphysik Ewald Benes, Univ. Prof. i.R. Dipl.-Ing. Dr. techn., E134 – Institut für Angewandte Physik Mario Brameshuber, Univ. Ass. Dipl.-Ing. Dr. techn., E134 – Institut für Angewandte Physik Silke Bühler-Paschen, Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. rer. nat., E138 – Institut für Festkörperphysik Joachim Burgdörfer, O. Univ. Prof. Dipl.-Phys. Dr. rer. nat., E136 – Institut für Theoretische Physik Ulrike Diebold, Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E134 – Institut für Angewandte Physik Michael Eisterer, Priv. Doz. Dipl.-Ing. Dr. techn., E141 – Atominstitut Josef Fidler, Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E138 – Institut für Festkörperphysik

Daniel Grumiller, Ass. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E136 – Institut für Theoretische Physik Karsten Held, Univ. Prof. Dipl.-Phys. Dr. rer. nat., E138 – Institut für Festkörperphysik Walid Hetaba, Dipl.-Ing., E052 – USTEM Erwin Jericha, Ass. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E141 – Atominstitut Gerhard Kahl, Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E136 – Institut für Theoretische Physik Helmut Leeb, Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E141 – Atominstitut Johannes Majer, Univ. Ass. Dipl.-Phys. Dr., E141 – Atominstitut Herwig Michor, A. o.Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E138 – Institut für Festkörperphysik Peter Mohn, Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E134 – Institut für Angewandte Physik Andrei Pimenov, Univ. Prof. Dr. rer. nat., E138 – Institut für Festkörperphysik

Verzeichnis der Autorinnen und Autoren  | 157

Andrey Prokofiev, Assoc. Prof. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E138 – Institut für Festkörperphysik

Walter Steiner, em. Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E138 – Institut für Festkörperphysik

Peter Rabl, Ass. Prof. Dr. rer. nat., E141 – Atominstitut

Georg Steinhauser, Priv.-Doz. Mag. rer.nat. Dr. techn., E141 – Atominstitut

Helmut Rauch, em. O. Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E141 – Atominstitut

Johannes H. Sterba, Senior Scientist Dipl.-Ing. Dr. techn., E141 – Atominstitut

Arno Rauschenbeutel, Univ. Prof. Dipl.-Phys. Dr., E141 – Atominstitut

Herbert Störi, A. o. Univ. Prof. Dr. phil., E134 – Institut für Angewandte Physik

Anton, Rebhan, Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E136 – Institut für Theoretische Physik

Christina Streli, A. o. Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E141 – Atominstitut

Michael Reissner, A. o. Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E138 – Institut für Festkörperphysik

Dieter Süss, Priv. Doz. Dipl.-Ing. Dr. techn., E138 – Institut für Festkörperphysik

Stefan Rotter, Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E136 – Institut für Theoretische Physik

Mario Villa,Senior Scientist Dipl.-Ing. Dr. techn., E141 – Atominstitut

Herbert Sassik, Ass. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E138 – Institut für Festkörperphysik

Harald Weber, em. Univ. Prof. Dr. phil., Dr. h.c., E141 – Atominstitut

Jochen Schieck, Univ. Prof. Dipl.-Phys. Dr. rer. nat., E141 – Atominstitut und HEPHY der OEAW

Peter Wobrauschek, Univ. Prof. i.R. Dipl.-Ing. Dr. techn., E141 – Atominstitut

Hannes-Jörg Schmiedmayer, Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E141 – Atominstitut

Michael Zawisky, Ass. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E141 – Atominstitut  

Thorsten Schumm, Univ. Prof. Dipl.-Phys. Dr. rer. nat., E141 – Atominstitut Gerhard J. Schütz, Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn., E134 – Institut für Angewandte Physik Stephan Sponar, Projektass.(FWF) Dipl.-Ing. Dr. techn., E141 – Atominstitut

158 |  Verzeichnis der Autorinnen und Autoren

BILDNACHWEIS PHOTO CREDITS Titelbild Cover Atome, gekoppelt an Glasfasern. Bild: © TU Wien

Oberflächenphysik Abb. 1, 2, 3, 4: alle © TU Wien

Vorwort der Rektorin Foto S. Seidler: © Raimund Appel

Physik der Licht-Materie Wechselwirkung Abb. 1, 2: © TU Wien

Die Fakultät für Physik Auftaktseite: Foto: Johannes H. Sterba (TU Wien)

Hochaufgelöste Mikroskopie der zellulären Plasmamembran Abb. 1 a, b; 2 a, b: alle © TU Wien

Physik an der TU Wien im Wandel der Zeit Abb. 1: © TU Wien

Fusionsforschung an der TU Wien Abb. 1: © ITER Organization, http://www.iter.org/; Abb. 2, 3: alle © TU Wien

Die forschungsgeleitete Lehre an der Fakultät für Physik Abb. 1: © TU Wien Doktoratskollegs Das Doktoratskolleg „Solids4fun“ Abb. 1: © TU Wien Das Doktoratskolleg „Particles and Interactions“ Abb. 1: © TU Wien Physik der Materie Auftaktbild: © TU Wien „Advanced“ Materialien und Oberflächen Thermoelektrika Abb. 1, 2: © TU Wien Advanced Magnets Abb. 1 a,b; 2 a, b: alle © TU Wien Computational Physics Abb. 1: TEM picture: © 2015 IEEE. Reprinted, with permission from H. Katada et al., IEEE Trans. Mag. 41, 2947.

Quantenphysik und Quantentechnologie Abb. 1, 2, 3, 4 a, b: alle © TU Wien Quantenphysikalische Grundlagenexperimente mit Neutronen Abb. 1: © TU Wien, Abb. 2: Foto E. Seidl (TU Wien); Abb. 3, 4: alle © TU Wien Spezialforschungsbereiche Das „Vienna Computational Materials Laboratory“ (VICOM) Abb. 1, 2: © TU Wien Das „Center for Computational Materials Science“ (CMS) Abb. 1: © CMS TU Wien Physikalische Technologie Auftaktseite: Foto © Johannes Braumann Technische Anwendungen in der Akustik Die Bogenstreichmaschine Abb.1: © TU Wien Ultraschallfiltration Abb. 1, © SonoSep Inc. Kanada, Abb 2: © TU Wien

Bildnachweis  | 159

„Die Perfekte Welle“ Abb. 1: © TU Wien

Das Vienna Microkelvin Laboratory Abb. 1: © TU Wien

Material- und Oberflächenanalytik Ultrakleinwinkelstreuung von Neutronen Abb. 1, 2: © TU Wien

Medizinische Strahlenphysik Abb. 1: Foto: Dr. T. Kästenbauer

Radiochemie Abb. 1.: Foto: G. Steinhauser (TU Wien); Abb. 2: ©  TU Wien Archäometrie Abb. 1, 2: © TU Wien Tribologie Abb. 1: Foto: AC2T Wr. Neustadt Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie Abb. 1, 2: alle © TU Wien Neutronenradiographie und –Tomographie Abb. 1, 2: alle © TU Wien Besondere Geräte und Einrichtungen Die Transmissionselektronenmikroskopie an der TU Wien Abb. 1 (links): © TU Wien; rechts: © TU Wien Der Triga Mark II Reaktor Abb. 1, 2: alle © TU Wien Die Tieftemperaturanlagen an der TU Wien Abb. 1, 2: © TU Wien AUSTROMAG Abb. 1: © TU Wien Einkristallzucht Abb. 1: © TU Wien Das Projekt Vienna Scientific Cluster (VSC) Abb. 1: © TU Wien

160 | Bildnachweis

Die Bausteine der Materie und deren Wechselwirkungen Auftaktbild: © TU Wien Die Suche nach dem Kleinsten: Kern- und Teilchenphysik Abb. 1: © CERN; Abb. 2: © MPI für Physik, München, Abb. 3: © TU Wien Suche nach der Physik jenseits des Standardmodells mit kalten und ultrakalten Neutronen Abb. 1, 2: © TU Wien, Abb. 3: links: © TU Wien; rechts: Zeichnung: Leon Filter