Im Jahr 1906 wurde Joseph John Thomson mit dem Nobelpreis für die Entdeckung des ersten subatomaren Teilchens, des Elektrons ausgezeichnet. Im Jahr 1937, d.h. 31 Jahre später, erhielt sein Sohn, George Paget Thomson den Nobelpreis für die Entdeckung, dass Elektronen sich wie Wellen verhalten. In der Zwischenzeit hatte Hans Bethe bereits die auch heute noch aktuelle Theorie der Beugung von Elektronenwellen in Kristallen aufgestellt und Ernst Ruska und Max Knoll das erste Transmissionselektronenmikroskop (TEM) entwickelt.

Der Unterschied zwischen Elektronen- und Lichtwellen besteht  darin, dass Elektronenwellen eine mehr als 5 Größenordnungen kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht haben und der Tatsache, dass Elektronen, da sie geladene Teilchen sind, direkt mit dem elektrostatischen Potential der Atome wechselwirken, und zwar so stark, dass sie auf dem Weg durch selbst die dünnsten Proben, mehrfach gestreut werden.

In den 82 Jahren seit Entwicklung des ersten TEMs ist die Elektronenoptik so weit vorangeschritten, dass bereits Atome sichtbar gemacht werden können, aber trotzdem machte die Mehrfachstreuung der Elektronen im zu untersuchenden Material bisher die quantitative Interpretation der experimentellen Daten oft sehr kompliziert und manchmal unmöglich. In meinem Vortrag werde ich anhand von Beispielen erklären, wie Elektronenbeugungsbilder und Bilder von Atomen im TEM entstehen und auch unsere erst vor kurzem gelungene Lösung des bereits seit Jahrzehnten bestehenden Problems der Inversion der Mehrfachstreuung vorstellen, anhand derer die 3-dimensionale Anordnung von Atomen aus TEM-Bildern oder Beugungsbildern rekonstruiert werden kann.

Die Entdecker der Quantenmechanik im letzten Jahrhundert dachten, es wäre unmöglich, mit einzelnen Atomen zu experimentieren. Da hatten sie sich doch getäuscht: heutzutage ist das etwas, dass jeden Tag in Laboren rund um die Welt passiert - inklusive hier bei uns in Ulm. Das bietet die Möglichkeit, ganz neue Technologien zu entwickeln, basierend auf den verrückten Effekten der Quantenmechanik - zum Beispiel kann ein Atom sich gleichzeitig in zwei unterschiedlichen Positionen befinden, bzw. können zwei Atome in einem eng korrelierten (verschränkten) Zustand sein, der sogar Teleportation erlaubt. Aber Atome sind sehr empfindlich: um mit ihnen umzugehen, braucht man extreme Sorgfalt, und hochspezialisierte Methoden, die es uns garantieren, am Ziel zu gelangen - etwa wie im Bild hier. Ich werde ein bisschen erzählen, wie man das machen kann, was man dabei lernt und erzeugt, und was für einen Riesenspass ich dabei habe.

Explodierende Autos, gefährliche Sprünge und Technik, neben der so ziemlich jeder magische Trick verblasst, sind nur ein Teil der faszinierenden Welten, in welche uns die Filmemacher Hollywoods immer wieder eintauchen lassen. Teils aus Unwissenheit, teils aus Effektgründen, werden dabei fundamentale Naturgesetze nach Gutdünken angepasst, umgeschrieben und außer Kraft gesetzt. Wir werden in exemplarischen Filmszenen die den dargestellten Effekten zu Grunde liegende Physik kennenlernen und analysieren, wie realistisch die gezeigten Situationen tatsächlich sind.