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