Physikstudium
Physik ist wahrlich keine leichte Kost. Die meisten Schüler brechen bei dem Gedanken an die nächste Physikarbeit nicht gerade in Jubel, sondern eher in Schweiß aus. Dabei hängt auch viel davon ab, wie ein Lehrer seinen Schülern den Lernstoff vermittelt. Dass es auch anders geht, zeigen die Physikprofessoren an der TU Kaiserslautern. In ihren Vorlesungen binden sie die Studentinnen und Studenten aktiv mit in den Unterricht ein. Einer der Professoren ist der Quantenphysiker Dr. Artur Widera. Für seinen Unterricht ist er Anfang März mit dem Lehrpreis Rheinland-Pfalz ausgezeichnet worden.
Dass Studentinnen und Studenten im Hörsaal nicht immer den Worten des Dozenten lauschen, ist kein Geheimnis. Oft surfen sie im Internet, checken ihre E-Mails oder chatten mit ihren Freunden über die sozialen Medien. Sie aktiver am Unterricht zu beteiligen, könnte hier Abhilfe schaffen. An der TU Kaiserslautern entwickelt Professor Artur Widera immer wieder neue Methoden, um seine Zuhörer besser in seine Vorlesung miteinzubeziehen und noch besser an die Materie heranführen zu können. „Das wird von den Studierenden gut angenommen“, sagt Widera. Erst im März ist der Physiker vom Land Rheinland-Pfalz dafür mit dem Lehrpreis ausgezeichnet worden, nachdem er 2014 von seinem Fachbereich dafür vorgeschlagen wurde.
Einer seiner Doktoranden hat zum Beispiel eine Quiz-Software entwickelt, mit der der Physiker den Unterrichtstoff der letzten Stunde abfragen kann. Über einen QR-Code, der vor der Vorlesung an die Tafel projiziert wird, gelangen die Studenten auf eine Webseite mit Multiple-Choice-Fragen. Anonym können sie die Fragen beantworten. „Anschließend werden die Ergebnisse auf der Tafel angezeigt“, sagt Widera. Dabei habe diese Lernmethode für beide Seiten Vorteile, wie der Professor erklärt: „Die Studierenden sehen so, was sie verinnerlicht haben und wo sie noch Nachholbedarf haben. Und ich sehe zum Beispiel, welches Thema ich noch einmal intensiver behandeln sollte.“ Auch kleine Animationsfilme baut Widera regelmäßig in die Vorlesungen ein, um abstrakte Phänomene zum Beispiel in der Quantenphysik besser zu veranschaulichen.
Gute Forschung macht eine gute Lehre erst möglich.
Prof. Artur Widera
Und was macht sie nun aus die gute Lehre? Weg vom bloßen Frontalunterricht – das ist das ein Ansatz, den Widera und einige Kollegen aus dem Fachbereich verfolgen: Sie wollen die Studenten aktiv in den Unterricht einbinden, neue Medien und andere Techniken nutzen, um Lerninhalte besser zu vermitteln. „Wir legen in der Physik viel Wert auf eine gute Lehre“, so Widera. Und dass ihre Bemühungen sich lohnen, zeigen die Umfragen der Studenten am Ende eines jeden Semesters. „Die Studierenden müssen uns bewerten. Dabei schneiden wir jedes Mal gut ab“, freut er sich.
Neben den interaktiven Vorlesungen profitieren Studentinnen und Studenten in Kaiserslautern auch von einem guten Betreuungsverhältnis. Sie arbeiten in kleinen Gruppen von zehn bis 15 Personen zusammen. Bei Übungen können sie daher auch gut mit dem Tutor über Probleme und Unklarheiten diskutieren. Zudem können sie schon früh Laborluft schnuppern. „Bereits während des Bachelorstudiums besteht die Möglichkeit, als studentische Hilfskraft an kleinen Projekten im Labor zu forschen“, weiß der Professor. Auch in Wideras Arbeitsgruppe ist dies möglich. Der Physiker und sein Team haben sich der Quantenwelt verschrieben. Sie möchten die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten verstehen, die in dieser für uns Laien meist fremden Welt herrschen. „Viele uns vertraute Technologien funktionieren nur dank Quantenphysik“, weiß Widera, der 2011 einen ERC Starting Grant – einen der höchsten europäischen Forschungspreise – für seine Arbeit erhalten hat. „Dazu zählen zum Beispiel Halbleiter, wie sie in Solarzellen auf Hausdächern, in Leuchtioden oder in Smartphones vorkommen.“
Zwar haben Kenntnisse aus der Quantenwelt schon zu neuen Technologien geführt, dennoch gibt es noch vieles, was sich Wissenschaftler nicht erklären können. Dazu zählen etwa sogenannte Hochtemperatursupraleiter. Das sind Materialien, bei denen der elektrische Widerstand wegfällt. „Damit könnte man Strom ohne Energieverlust über weite Strecken transportieren. Große Stromtrassen wären nicht mehr notwendig“, so Widera. Allerdings gibt es einen Haken: Supraleiter funktionieren nur bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt. Einige Materialien zeigen dieses Verhalten bei „hohen“ Temperaturen, die dennoch so kalt sind, dass Luft flüssig wird. Bei Raumtemperatur ist dieses Phänomen noch niemals beobachtet worden. „Wir verstehen noch gar nicht, welche Quantenphysik diesem Phänomen zugrunde liegt, deshalb können wir auch keine Materialien maßschneidern, die bei den Temperaturen unseres Alltages supraleitend wären“, sagt der Professor.
Hier setzt die Forschungsarbeit von Widera und seinem Team an: „Wir möchten die physikalischen Grundlagen dieses Effektes verstehen, um die Quanteneigenschaften der Supraleiter nutzbar zu machen, damit solche Techniken auch bei normalen Umgebungstemperaturen funktionieren.“ Dazu wollen sie zunächst herausfinden, welche quantenmechanischen Prozesse in diesen Materialien ablaufen. Da die Forscher aber nicht direkt in die Supraleiter, beispielsweise mit einem Mikroskop, hineinschauen können, greifen sie auf Modelle zurück: Im Labor simulieren sie die Quantenwelt und fangen einzelne Atome gewissermaßen in Käfigen ein, um ihre quantenmechanischen Eigenschaften zu studieren. Doch dazu müssen sie Temperaturen herstellen, die niedriger sind als im Weltraum. Dies gelingt ihnen mit ultrakalten Gaswolken und Laserlicht. „Mit unseren Techniken können wir die Atome genau beobachten, die einzelnen Zustände im Bild festhalten und diese später analysieren“, erklärt der Professor.
Widera, der 2010 mit seiner Familie von Bonn an die TU gekommen ist, fühlt sich in Kaiserslautern wohl. Er schätzt die kurzen Wege in der Stadt, wenn er seine Töchter in den Kindergarten und zur Schule bringt, und auf dem Campus. Ein großer Pluspunkt – aber auch in Sachen Forschung wird an der TU einiges getan. „Die Universität, aber auch das Land tun sehr viel für die Forschung“, so der Quantenphysiker, „das ist nicht überall der Fall.“ Letzten Endes profitieren genau davon die Studenten, denn wie Widera sagt: „Gute Forschung macht eine gute Lehre erst möglich.“ Und das ist auch ein Ziel: „Wir möchten nicht nur gute Nachwuchsforscher ausbilden, sondern auch angehenden Lehrerinnen und Lehrern zeigen, wie man Lernstoff interessant vermittelt.“ Danken werden es ihnen ihre künftigen Schüler: Diese müssen nicht mehr in Schweiß ausbrechen, wenn die nächste Physikarbeit ansteht.
Im Inneren dieser Glaszelle herrscht ein derartiges Vakuum, dass Gaswolken durch Laserstrahlen bis fast auf den absoluten Nullpunkt gekühlt werden können.
Lasersystem kommen in der Quantentechnologie zum Einsatz, um ultrakalter Atome zu kühlen, zu fangen und zu manipulieren.
Mit solchen optischen Strahlengänge stellen Forscher Laser so ein, dass sie Quantensysteme kontrollieren können.
am 01.04.2016 von
Melanie Löw
