Edgar-Lüscher-Seminar 2025

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Astrophysik

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)Lotuseffektbeschichtungen ersparen uns das Schrubben der Waschbecken im Bad, Nanopartikel aus Titandioxid schützen uns in Sonnencremes vor UV-Strahlung und Smartphone-Displays werden durch Nanobeschichtungen immer kratzfester. Das sind nur drei Anwendungen von sogenannten Nanotechnologien, die bereits Einzug in unseren Alltag gefunden haben. Im Rahmen des 46. Edgar-Lüscher-Seminars gaben Wissenschaftler aus der Spitzenforschung am vergangenen Wochenende einen Einblick in aktuelle Entwicklungen und Forschungsgegenstände im Bereich der Nanotechnologien und Zukunftsmaterialien.

Unter der Schirmherrschaft von Prof. Dr. Thomas Hofmann, Präsident der TU München, lud der Ministerialbeauftragte für die Gymnasien in Niederbayern, Ltd. OStD Peter Brendel, nun schon zum 46. Mal Physik- und Chemielehrkräfte aus ganz Bayern an das Gymnasium Zwiesel zur Fortbildung ein. Die wissenschaftliche Leitung des Seminars lag wieder in bewährter Hand bei Prof. Dr. Winfried Petry und Prof. Dr. Peter Müller-Buschbaum von der TU München.

Von Lotus und Kohlrabi

Den Auftakt der Veranstaltung bildete bereits ein Schülervortrag am Freitagvormittag. Dr. Silke-Stähler-Schöpf, Leiterin des Photon Lab am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, und Dr. Andreas Kratzer von der TUM School of Education gaben gut hundert Schülern der 11. Jahrgangsstufe aus den Gymnasien Zwiesel, Grafenau und Landau einen Einblick in die Materialwissenschaften. Sie erklärten zunächst, dass man erst ab einer Größenordnung unterhalb von 100 Nanometern – also einem Tausendstel der Dicke eines Haares – wirklich von Nanotechnologie spricht. Es folgte eine Vielzahl von Beispielen. Der Lotuseffekt – experimentell demonstriert an Kohlrabiblättern – wurde näher unter die Lupe genommen. Weiter wurden Nanomaterialien mit magnetischen Eigenschaften betrachtet. Die Schüler erfuhren, dass diese Partikel z. B. in der Behandlung von Tumoren durch gezielte Überhitzung des Tumorgewebes eingesetzt werden. Den Schlusspunkt setzten besondere Supraleiter, die bereits bei verhältnismäßig hohen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand verlieren. Diese Temperaturen sind zwar immer noch sehr kalt, sodass Dr. Kratzer und Dr. Stähler-Schöpf für den Demonstrationsversuch kurzerhand zu flüssigem Stickstoff griffen.

Von Medikamenten in der DNA-Box

Am Nachmittag folgten die ersten Vorträge der Lehrerfortbildung. Elisabeth Eber von der LMU München gab eine Einführung in DNA-Origami. DNA ist vermutlich jedem ein Begriff als Trägerin von Erbgut. Beim DNA-Origami verwendet man die Strukturen aus Basenpaaren allerdings nicht, um Information zu kodieren, sondern als programmierbaren Baustoff. Eber erläuterte den Zuhörern, wie DNA-Stränge als Gerüst erzeugt, gefaltet und mit weiterer DNA ummantelt werden. Als mögliche Anwendung in Zukunft zeigte sie, wie sich Medikamente in einer Box aus DNA exakt zum Einsatzort im Körper transportieren und dort freisetzen lassen könnten.

Vom Tanz der Gase

Im zweiten Freitagsvortrag zeigte Prof. Dr. Marc Willinger von der TUM NAT School, wie er und seine Forschergruppe dynamische Prozesse chemischer Reaktionen, die auf der Oberfläche reaktionsbeschleunigender Stoffe – sogenannter Katalysatoren – ablaufen, sichtbar machen. Er verblüffte sein Publikum mit einer Reihe von Videos, die mit Rasterelektronen- und Transmissionselektronenmikroskopen aufgenommen wurden. Dabei konnte man das Wechselspiel der reaktiven Gase und der Katalysatoroberfläche wunderbar beobachten. Weiter erläuterte er, wie die neuen Beobachtungsmöglichkeiten die Katalyseforschung voranbringen können.

Von der Welt der Mikrostrukturen

Den Vortragsreigen am Samstag eröffnete Dr. Michael Hofmann vom FRM II an der TUM mit seinen Ausführungen über Hochleistungslegierungen und deren Untersuchung mittels Neutronenstreuung. Anhand von nickelbasierten Superlegierungen zeigte er auf, welche Einflüsse Mikrostrukturen auf die Materialeigenschaften im Makrobereich haben. Er erläuterte, wie mittels Neutronenstreuversuchen diese Mikrostrukturen untersucht werden können und Materialien damit weiterentwickelt und verbessert werden.

Prof. Dr. Jonathan Finley vom Walter-Schottky-Institut knüpfte an das Thema des Vorjahres – Quantenphysik – an und schlug den Bogen zu den Nanotechnologien. Prof. Finley zeigte, wie man mittels Quantenpunkten, das sind Halbleiternanostrukturen, auf Knopfdruck Einzelphotonen erzeugen kann. Im zweiten Schritt wurden Detektoren vorgestellt, die wiederum Einzelphotonen detektieren können.

Von Solarzellen und topologischen Materialien

Neue effizientere Solarzellen standen im Fokus der Ausführungen von Dr. Claudiu Mortan. Eine Stunde Sonnenlicht bringt genug Energie auf die Erde, um diese ein Jahr mit Strom zu versorgen. Diese Information stellte Dr. Mortan seinem Vortrag voran. Das Nutzbarmachen ist somit die Herausforderung. Siliziumbasierte Solarzellen sind mittlerweile nahezu an der Effizienzgrenze. Mortan forscht deshalb an der Entwicklung von Zellen, die auf Perowskit basieren. Dieses Material verspricht hohe Energieausbeute und ermöglicht u. a. den Bau von flexiblen Solarzellen direkt aus dem 3D-Drucker, berichtete er den Seminarteilnehmern.

Der Samstag wurde von Prof. Dr. Christian Pfleiderer beschlossen. Er ist wissenschaftlicher Direktor des FRM II an der TU München. Prof. Pfleiderer referierte über topologische Materialien. Er erläuterte, wie mithilfe des mathematischen Konzepts der Topologie Bandstrukturen von Materialien untersucht und so ungewöhnliche magnetische und elektrische Eigenschaften vorausgesagt bzw. begründet werden können.

Von der Kraft des Holzes bis zum Graphen der Superlative

Der letzte Seminartag wurde von Prof. Dr. Stephan Roth eröffnet. Prof. Roth forscht am DESY Hamburg an nachhaltigen Materialien. Besonders interessant für Zuhörer aus einer waldreichen Region waren seine Ausführungen über die aus Holz gewonnene Zellulose-Nanofibrillen. Diese Fibrillen sind 10.000-mal dünner als ein Haar und bezogen auf ihr Gewicht die stärksten Biofasern der Welt. Roth berichtete, dass sich die Fasern eignen, um Plastik in Verpackungen zu ersetzen oder Kompositwerkstoffe zu verstärken. Besonders spannend ist, dass sich die Fasern auch als Grundstoff für Solarzellen eignen. Der nachwachsende Rohstoff Holz könnte so zum Ausgangsprodukt zur Erzeugung regenerativen Solarstroms werden.

Prof. Dr. Paul Seifert von der Universität der Bundeswehr München beschäftigte sich im letzten Vortrag mit einem besonderen Material: Graphen. Es besteht aus Kohlenstoffatomen und ist zweidimensional, das heißt, es besteht nur aus Oberfläche. Graphen ist das dünnste Material, extrem leicht, der beste Wärmeleiter, einer der besten elektrischen Leiter und härter als Diamant. Seifert resümierte: Graphen ist ein Material der Superlative.

Von der Bedeutsamkeit moderner Wissenschaft

Nach diesem Schlussvortrag bedankten sich die wissenschaftlichen Leiter des Seminars, Prof. Müller-Buschbaum und Prof. Petry, bei allen Sprechern und dem Organisationsteam vor Ort. Stephan Loibl bedankte sich schließlich stellvertretend für das Gymnasium bei den beiden Professoren. Besonders stellte er heraus, mit welcher Mühe die beiden dafür sorgen, dass jedes Jahr aufs Neue Spitzenwissenschaftler nach Zwiesel kommen und dort interessierten Lehrern, aber auch der Öffentlichkeit einen Einblick in den Status quo der Forschung geben. Er betonte den besonderen Wert der Veranstaltung, die bayernweit einzigartig ist. Lehrer können nur lebendig unterrichten, wenn sie auch inhaltlich am Puls der Zeit bleiben. Als Dankeschön überreichte Loibl den beiden, wie auch allen anderen Sprechern, Glaspräsente gesponsert von Zwiesel Glas.

Als letzter Punkt des Programms stand die Festlegung des Themas für das 47. Edgar-Lüscher-Seminar im kommenden Jahr an. Die Seminarteilnehmer legten sich mit den beiden Leitern schnell auf „Neues aus der Astrophysik, von James Webb bis Gravitationswellen“ fest. Es ist also gesichert, dass auch nächstes Jahr vom 04. bis 06. April spannende physikalische Themen am Gymnasium Zwiesel diskutiert werden.

(Stephan Loibl)

Physik ist immer dann besonders spannend, wenn es entweder um besonders große oder besonders kleine Dinge geht. Plötzlich verhält sich alles gänzlich anders, als wir es aus unserer Alltagserfahrung heraus vermuten und erwarten. Am vergangenen Wochenende wandte man sich beim 45. Edgar-Lüscher-Seminar am Gymnasium Zwiesel den besonders kleinen Systemen zu. „Quantenphysik in der Anwendung“ war der Titel der vom Ministerialbeauftragen für Gymnasien in Niederbayern gemeinsam mit der TU München veranstalteten Lehrerfortbildung. In neun interessanten Vorträgen brachten Spitzenwissenschaftler renommierter Institutionen den rund 70 Teilnehmern die komplexe Quantenwelt näher. Sie zeigten, wie sich Quantenphänomene technisch, wie z. B. beim heiß diskutierten Quantencomputer, nutzen lassen und wie hier der aktuelle Stand der Forschung ist.

Schülervortrag mit erstaunlichen Phänomenen

Den Auftakt zum dreitägigen Seminar bildete bereits ein Vortrag für Schülerinnen und Schüler am Freitagvormittag. Dr. Silke Stähler-Schöpf, Leiterin des PhotonLab am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, und Dr. Andreas Kratzer, Leiter des TUM Science Lab, boten den Schülern der Q11 eine Betrachtung der Quantentheorie aus philosophischer, historischer und natürlich physikalischer Sicht. Dabei führten sie den Schülern eine Vielzahl von grundlegenden physikalischen Experimenten vor. So wurde kurzerhand eine Essiggurke zur Lampe umfunktioniert und das davon emittierte Linienspektrum gemessen. Ein Effekt, der sich nur quantenmechanisch erklären lässt. Der Einladung zum Vortrag folgten auch Schüler aus Grafenau, Waldkirchen und Landau.

Von leistungsstarken Rechnern und unterkühlten Chips

Für die Lehrerinnen und Lehrer begann das Wochenende am Freitagnachmittag mit dem Einführungsvortrag von Prof. Dr. Klaus Mainzer, Präsident der Europäischen Akademie der Wissenschaft und Künste. Er gab einen Einblick in die grundlegenden Prinzipien der Quantenwelt und die zugehörige Mathematik. Dabei erläuterte Prof. Mainzer, wie sich damit, bei entsprechender technischer Umsetzung, Verfahren und Algorithmen realisieren lassen, die zu weitaus leistungsstärkeren Rechnern, als klassischen Computern führen. 

Eine erste Möglichkeit der Umsetzung präsentierte Dr. Franz Haslbeck vom Walther Meißner Institut. Er beschäftigt sich dort mit supraleitenden Quantenbits. In seinem Vortrag gab er eine Einführung in supraleitende Schaltkreise, deren Fabrikation und Kontrolle durch Mikrowellenpulse. Diese Art des Quantencomputers dürfte aus Fotos in den Medien wohl die bekannteste sein. Dr. Haslbeck erklärte, dass die plakativen Fotografien dabei in erster Linie die Kühleinheit zeigen. Der Quantencomputerchip selbst ist nur 1 cm² groß, muss aber aufwändig auf unter -273 °C gekühlt werden. Einen solchen Chip konnten die Anwesenden im Anschluss an den Vortrag auch aus der Nähe in Augenschein nehmen.

Von entschlüsselnden Quanten und geheimnisvollen Diamanten

Am Samstagmorgen begann das Seminar mit dem Vortrag von Dr. Lukas Knips vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Er referierte über Quantenkryptografie und photonische Quantentechnologien. Dabei erläuterte der Wissenschaftler dem Publikum, dass aktuelle Verschlüsselungsmethoden wie RSA durch Quantencomputer in kurzer Zeit entschlüsselt werden könnten und damit in Zukunft nicht mehr sicher sein werden. Daraus resultiert die Notwendigkeit,neue, sichere Kommunikationswege zu finden. Dr. Knips erklärte, wie sich mittels Quantenschlüsselaustausch ein abhörsicherer Kanal ergibt und welche Entfernungen damit bereits überbrückt werden können. Kommunikationssicherheit wird also durch Quantentechnologien bedroht und durch andere Quantentechnologien wieder sichergestellt.

Prof. Dr. Martin Brandt vom Walter Schottky Institut berichtete anschließend von einer weiteren technischen Anwendung von Quantenphänomenen. In seinem Vortrag widmete er sich der Quantensensorik. Er erläuterte, wie mithilfe von Diamanten Magnetfelder gemessen werden können. Grundlage sind dabei Farbzentren, wie sie in gelblichen Diamanten zu finden sind. Prof. Brandt ging darauf ein, dass diese als Schmuckstück eher wertlosen Diamanten hochinteressant für moderne Quantentechnologien sind. Er zeigte z. B., wie sich mit diesen Sensoren selbst kleinste Magnetfelder in magnetotaktischen Bakterien aufspüren lassen.  

Von ultrakalten Atomen und Quantenalgorithmen

Den Vortragsreigen setzte am Nachmittag Prof. Dr. Monika Aidelsburger von der LMU München fort. Sie berichtete den Lehrerinnen und Lehrern, wie sie und ihre Forschungsgruppe Quantensimulationen mit ultrakalten Atomen durchführen. Bei Quantensimulationen werden unter Laborbedingungen nicht zugängliche Quantensysteme durch andere, kontrollierbare Quantensysteme nachgeahmt und so untersucht. Diese Idee geht auf den berühmten Physiker Richard Feynman zurück. Ziel der Entwicklung ist es z. B. Teilchenphysik, wie sie momentan nur in großen Beschleunigern wie dem LHC am CERN möglich ist, im Laserlabor betreiben zu können.

Der Samstag wurde mit dem Vortrag von Prof. Dr. Christian Mendl von der TUM beschlossen. Er gab zunächst einen Einblick in aktuelle Quantenalogrithmen. Anschließend erläuterte er den Zuhörern, wie sich Tensornetzwerke zur Simulation von Quantensystemen auf klassischen Rechnern einsetzen lassen.   

Von spukhafter Fernwirkung und Laserlaboren im Koffer

Dr. Johanna Jochum vom FRM II in Garching eröffnete den letzten Fortbildungstag. Sie berichtete den Teilnehmern von der Untersuchung von Quantenphänomenen mithilfe von Neutronen. Sie erläuterte, warum sich Neutronenstreuung besonders gut für die Untersuchung von Quantenphänomenen eignet und illustrierte dies an ausgewählten Experimenten.

Den Schlusspunkt setzte Prof. Dr. Alexander Holleitner vom Walter Schottky Institut. Er widmete sich in seinem Vortrag besonders der Quantenverschränkung. Vereinfacht versteht man darunter, dass die Messung des Zustands eines Teilchens sofort den Zustand des damit verschränkten Teilchens festlegt, egal wie weit dieses entfernt ist. Dieses Phänomen ist nicht mit der klassischen Sicht der Physik vereinbar, so dass es selbst Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ ablehnte. Prof. Holleitner konnte seine Zuhörer mit einem Demonstrationsexperiment besonders begeistern, mit dem man eben diese Quantenverschränkung nachweisen kann. Mithilfe eines kompletten Laserlabors – allerdings in Aktenkoffergröße – konnte er zeigen, dass auch in der Aula des Gymnasiums die Bellsche Ungleichung verletzt wird und somit auch dort die Gesetze der Quantenmechanik gelten.

Dank und Ausblick auf das 46. Edgar-Lüscher-Seminar

Die regen Diskussions- und Fragerunden nach den Vorträgen zeigten die Faszination und Begeisterung der anwesenden Physiklehrkräfte für die Veranstaltungen. Deshalb wurde zum Ende des Seminars bereits das Thema für das 46. Edgar-Lüscher-Seminar 2024 festgelegt. Dann soll sich alles um „Nanotechnologien und Zukunftsmaterialien“ drehen.

Bei der Verabschiedung der Fortbildungsteilnehmer und Referenten bedankte sich Schulleiter Dr. Wolfgang Holzer bei allen, die zum Gelingen der Traditionsveranstaltung beigetragen haben. Allen voran galt sein Dank den beiden wissenschaftlichen Leitern des Seminars, Prof. Dr. Winfried Petry und Prof. Dr. Peter Müller-Buschbaum von der TU München, denen es wieder gelungen ist, eine Reihe von Sprechern aus der Spitzenforschung zu gewinnen und so eine einmalige Fortbildungsveranstaltung zu ermöglichen. Das große Engagement für das Seminar zeige, wie sehr ihnen die Lehrerbildung am Herzen liegt. Ebenso ging sein Dank an die Referenten, die sich bereit erklärt haben, an das Gymnasium zu kommen und Einblicke in ihre Arbeit zu gewähren. Weiter bedankte sich Holzer beim Fachreferenten für Physik, StD Dominik Palme, der als Stellvertreter der Dienststelle des Ministerialbeauftragten bei der Veranstaltung anwesend war. Ein besonderer Dank ging an das Organisationsteam vor Ort um Stephan Loibl, Claus Starke und Margot Weber, die für einen reibungslosen Ablauf sorgten. Schließlich richtete der Schulleiter noch ein herzliches Dankeschön an die Zwiesel Kristallglas AG, die es durch ihre großzügige Spende wieder ermöglichte, alle Dozenten mit einem besonderen Glaspräsent aus Zwiesel zu verabschieden.

(Stephan Loibl)