Die Kontroverse um die Electron Band Structure von Germanium

Die Bandstruktur deutscher Elektronen

• Abstract: Die Behauptung, dass sich der spezifische Widerstand deutscher Elektronen mit der Temperatur exponentiell verändert, ist falsch. Durch theoretische Modellierung und Experimente wurde festgestellt, dass die Geräte und die dazugehörigen Unterlagen mangelhaft waren.

Einleitung

• Deutsche Elektronen sind in klar definierten Energiebändern eingeschlossen, und zwischen diesen Bändern existiert ein „verbotener Bereich“ ohne Ladungsträger. Wenn die Temperatur steigt, wechseln Elektronen aus einem nichtleitenden Energieband in ein leitendes Band und verändern dadurch den spezifischen Widerstand. Diese Beziehung zeigt sich in einem bestimmten Temperaturbereich exponentiell.

Versuchsablauf

• Der am wenigsten beschädigte deutsche Kristall wurde ausgewählt, und Drähte wurden an den Kristall gelötet. Das Löten war sehr schwierig, und die Geräte im Labor funktionierten nicht richtig. Schließlich wurden bessere Geräte aus einem anderen Labor beschafft und verwendet. Um die Temperatur zu steuern, wurde der Kristall an einem Kupferstab befestigt; ein Ende des Stabs war mit einer Heizspule verbunden, das andere in eine Thermoskanne mit flüssigem Stickstoff getaucht. Unterwegs begann die Thermoskanne zu lecken.

Ergebnisse

• Diese Daten wurden über zwei Wochen hinweg persönlich gesammelt. In den Daten konnte keine exponentielle Abhängigkeit gefunden werden. In die Daten wurde eine Exponentialkurve eingezeichnet, und mithilfe eines komplexen Computerprogramms wurde die Anpassung verbessert.

Fazit

• Physik zu studieren war der größte Fehler meines Lebens. Ich hätte Informatik studieren sollen.

[GN⁺]

Meinungen auf Hacker News

• Eine meiner stärksten Erinnerungen aus dem naturwissenschaftlichen Unterricht ist das Experiment zur Messung der Erdbeschleunigung im Physikunterricht der Oberstufe.
  Wir ließen einen Ball von einem Schultisch rollen und herunterfallen; mit der Stoppuhr einer Armbanduhr aus den 1990ern starteten wir in dem Moment, in dem der Ball fiel, und stoppten, wenn er den Boden berührte. Mit solchen Uhrentasten war Präzision unterhalb einer Sekunde kaum zu erwarten.
  Natürlich waren die Daten ein Chaos, und wenn man die Fehlerbalken korrekt angesetzt hätte, hätten sie sogar 0 oder negative Werte umfasst. Trotzdem kam rechnerisch etwa 6,8 m/s^2 heraus; ich reichte das so ein und bekam eine ungenügende Note.
  Am Ende lernt man schon seit der Grundschule, dass nicht bewertet wird, ob man „das, was man nach bestem Können beobachtet hat, ehrlich berichtet“, sondern ob man das vom Bewertenden gewünschte Ergebnis liefert. Ich denke, diese Struktur verschwindet bis hin zu Professuren nicht wirklich.
  Natürlich gibt es auch großartige Lehrkräfte, die ehrliche falsche Antworten hoch bewerten, aber wie lange dieser Idealismus in den folgenden Jahren durchhält, ist eine andere Frage.

  • In Electronics I an der Uni passierte fast genau dasselbe.
    Man musste ein Experiment abschließen, bevor man zum nächsten weiterkam; bestand man ein Experiment nicht, fiel man unabhängig von der sonstigen Note durch den Kurs.
    Im zweiten oder dritten Experiment sollten wir das Verhalten eines im DIP-8-Gehäuse ausgegebenen Transistors messen, aber egal was wir taten, es kam kein linearer Ausgang heraus. Der Laborassistent behauptete nur, es müsse an der Verdrahtung oder am Schaltplan liegen, auf keinen Fall an der Ausrüstung.
    Erst nach 8 von 10 Kurswochen stellten wir fest, dass das DIP kein Transistor war, sondern ein hineingeratener 555-Timer. Wir bekamen ein neues Bauteil, aber 8 Wochen Experimente in den verbleibenden 2 Wochen abzuschließen war nahezu unmöglich.
    Der Professor empfahl, den Kurs abzubrechen und erneut zu belegen. Weil das meinen Studienabschluss verzögert hätte, nahm ich am Ende ein miserables, aber ausreichendes Laborergebnis und eine C- hin und tat so, als wäre nichts gewesen.
  • In einer naturwissenschaftlichen Prüfung in der Schule schrieb ich die Definition aus dem Lehrbuch wortwörtlich hin, sogar mit Seitenzahl, und ergänzte dann anhand externer Wissenschaftsquellen, warum diese Definition unvollständig war.
    Weil der Platz für die Antwort nicht reichte, schrieb ich am Rand weiter. Die Lehrerin wertete es zuerst als falsch, dann als richtig, dann wieder als falsch; beim Elterngespräch gab sie zu, dass die Definition selbst korrekt war, sie die Antwort aber wegen der zusätzlichen Erklärung „aus Ärger“ als falsch gewertet hatte.
  • Die Aussage, dass „Wissenschaft sogar bis zur Professur so funktioniert“, erinnert an Feynmans Essay Cargo Cult Science.
    Darin kommt der Fall vor, dass nach Millikans Öltröpfchenexperiment die Messwerte für die Elektronenladung zunächst in der Nähe von Millikans Wert blieben und sich dann allmählich dem tatsächlichen Wert annäherten: Wenn ein Wert viel größer als Millikans herauskam, nahm man an, dass etwas nicht stimmte, und suchte nach der Ursache; lag er nahe daran, war man weniger skeptisch.
    Feynman sagte, man habe diese Tricks inzwischen gelernt und diese Krankheit gebe es nicht mehr, aber dem letzten Satz kann ich schwer zu 100 % zustimmen.
    https://calteches.library.caltech.edu/51/2/CargoCult.htm
  • Im Naturkundeunterricht der Grundschule bekamen wir ein Experiment, bei dem wir statt der vorgegebenen Lösung auch eine eigene Methode entwickeln durften. Ich war der Einzige in der Klasse, der tatsächlich eine eigene Methode ausarbeitete, scheiterte aber, weil ich die Unterschiede in der Umgebung zwischen Zuhause und Klassenzimmer nicht berücksichtigte, und bekam eine ungenügende Note.
    Das dämpfte lange Zeit mein Interesse an Physik, und bis zur Uni konzentrierte ich mich eher auf Biologie.
    Das Problem war, dass die Lehrkraft nicht klar gemacht hatte, dass das Bewertungskriterium nicht Methode oder Präzision des Experiments war, sondern allein die Genauigkeit. Meine Methode war präzise, aber ungenau; die Standardmethode war genau, aber unpräzise.
    Es war mein erstes Jahr nach einem Schulwechsel, und vermutlich wusste ich auch nicht, dass die Schulkultur Kreativität nicht so bewertete, wie ich es gewohnt war.
  • Ich kenne eine Geschichte aus der Studienzeit eines Physikprofessors.
    Es ging um ein Experiment zur Messung des Adiabatenexponenten von Luft. Damals gab es so viele Aufgaben, dass viele Studierende einfach den Bericht schrieben und den Lehrbuchwert einreichten, was als falsch gewertet wurde.
    Wie sich herausstellte, hatte der Assistent Alkohol auf den Boden des dunklen gläsernen Messgefäßes gegeben und damit das Experiment manipuliert. Wer tatsächlich experimentierte, erhielt den Exponenten von „Luft mit ziemlich viel beigemischtem Alkoholdampf“ und damit einen anderen Wert als im Lehrbuch.
    Genau dieser „falsche“ Wert war der einzige Beweis, dass man das Experiment korrekt durchgeführt hatte.

• Ich las diesen Text, als ich 1999 an die Uni kam, und fand ihn erfrischend, weil er aus Studierendensicht zeigte, wie das Bachelorleben an einer weltberühmten Institution in der Praxis tatsächlich aussieht.
  Auch der letzte Satz traf wie eine Prophezeiung zu: Der Autor wechselte schließlich zur Informatik und schloss an der University of Wisconsin at Madison sogar seine Promotion ab.
  https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/

  • Auf LinkedIn wird er als Staff Software Engineer bei Google geführt: https://www.linkedin.com/in/lucas-kovar-185a3531/
  • Ich habe es etwa zur selben Zeit gelesen und mit Freunden, die Physik als Hauptfach angegeben hatten, dann aber größtenteils vor dem Abschluss in andere Fächer gewechselt waren, unter Tränen gelacht.
    Es war das Lustigste, was ich damals gelesen hatte, und ich freue mich, dass es ihm offenbar gut geht.
  • Jetzt scheint die ganze Seite verschwunden zu sein.

• Vor gut 20 Jahren war ich Tutor in einem Kurs für Halbleiterfertigungslabore.
  Hauptsächlich bestand meine Aufgabe darin, den Studierenden einzubläuen, dass man im Umgang mit HF niemals unachtsam werden darf, aber gegen Ende gab es auch einen Teil, in dem man tatsächlich Spannungen durchfuhr und die Transistoreigenschaften maß.
  Natürlich nur, wenn man überhaupt einen Transistor hergestellt hatte; manchmal hatte man im Grunde nur einen unnötig komplizierten Widerstand gebaut.
  Ich teilte diesen Text mit den anderen Tutoren, und wir fanden ihn wirklich urkomisch.

  • Währenddessen stellen Etsy-Mütter mattierte Schnapsgläser her.

• Die Stelle „weil es mit einem komplizierten Computerprogramm gefittet wurde, steigt die scheinbare Legitimität. Soweit ich weiß, wurde das Top-Quark mit demselben Verfahren entdeckt“ ist lustig, aber auch verbreiteter, als man denkt.
  In meinem Gebiet, der ultraschnellen Physik kondensierter Materie, wurde verrauschte Daten häufig mit „Curve Fitting“ gerechtfertigt, und Residuen oder Anpassungstests wurden oft nicht gezeigt.

• Ich habe ziemlich viel versucht, mein Forschungsinteresse von Computer Vision auf DFT-Berechnungen in der Quantenchemie zu verlagern, aber inzwischen frustriert mich, wie viel in diesem Bereich hinter verschlossenen Türen passiert.
  In Papers wird einem praktisch alles erklärt – außer der Methode, mit minimalem Aufwand zu reproduzieren –, sodass es wirkt, als würde etwas verborgen.
  Grafiken werden oft mit Origin erstellt und Papers in MS Word geschrieben; beides steht nicht unter freien Lizenzen, was Zusammenarbeit und Reproduzierbarkeit zusätzlich erschwert.

  • Ja, es wird tatsächlich etwas verborgen.
    Ich habe in einem angrenzenden Feld gearbeitet, und alle haben das ganz offen so gemacht. Weil man um Fördermittel konkurriert, hatten sie Sorge, dass andere Gruppen schneller vorankommen könnten, wenn sie die Kniffe offenlegen.
    Zu schreiben, man habe DFT-Berechnungen durchgeführt, ist einfach; wer solche Simulationen oder Berechnungen schon einmal gemacht hat, weiß aber, dass die Umsetzung sehr heikel ist und viel Coding sowie numerisches Fingerspitzengefühl erfordert.
    Ohne detaillierten Zugang zum Algorithmus ist das meiner Ansicht nach extrem schwer zu reproduzieren.
  • Ich habe einmal Code geschrieben, der den Code anderer Leute zusammenklebt, um eine Simulations-Pipeline für nichtadiabatische Molekulardynamik fertigzustellen.
    Ich war auch für die Dokumentation zuständig, mit der ich die Leute im Labor anleiten sollte, bekam aber die Anweisung, sie nicht zu veröffentlichen, weil andere Gruppen die Methode übernehmen und mit mehr Geld und Rechenressourcen schneller vorankommen könnten.
  • Dieses Problem hat mich auch eine Zeit lang beschäftigt.
    Es ist eher ein kulturelles Problem, und meiner Erfahrung nach veröffentlichen ältere Forschungsgruppen ihre Forschungssoftware mit geringerer Wahrscheinlichkeit.
    Im Bereich Deep-Learning-basierter Simulationen ist netket ein gutes Beispiel für offene Software, und der betreffende Forscher ist auch im GitHub-/GitLab-/Hugging-Face-Ökosystem recht aktiv.
  • Ich vermisse OriginPro, das ich im Studium über die Campuslizenz genutzt habe; seit ich Datenvisualisierung auf matplotlib umgestellt habe, bin ich besonders bei publikationsreifen Abbildungen enttäuscht.
    Neulich wollte ich sogar einen Graphen mit unterbrochener x-Achse zeichnen, einem der grundlegenden Bedürfnisse in den physikalischen Wissenschaften, und in matplotlib erforderte das ziemlich viel Hackerei.
    Ob ein Tool Open Source ist oder nicht, ist mir völlig egal, solange die Wissenschaft am Ende stimmt.
    Der Umgang mit Proben ist schon anstrengend genug; bei der Software zum Zeichnen von Grafiken möchte ich den Stress möglichst gering halten.

• Man braucht einen ziemlich speziellen Sinn dafür, um diesen kurzen Text nicht als Fiktion, sondern als Wahrheit und als scharfen Witz über die Physik insgesamt zu verstehen.

  • Ähnliche Witze gibt es noch unter https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/bio.html und allgemein auf https://pages.cs.wisc.edu/~kovar.
  • Ich verstehe nicht, warum das ein Seitenhieb auf die Physik sein soll.
    Es ist ehrlich und schön, und die Erfahrung an der experimentellen Front dürfte tatsächlich ziemlich genau so aussehen.
    Es ist leicht, alte Entdeckungen mit moderner Ausrüstung zu reproduzieren, aber man muss sich vorstellen, wie es für die Menschen war, die diese Eigenschaft von Germanium erstmals entdeckt haben.
    Werkzeuge und Sonden können sich nicht viel schneller entwickeln als das Verständnis der betreffenden Felder, und wir nutzen fortlaufend modernstes wissenschaftliches Wissen, um Werkzeuge zu erfinden und improvisierend weiterzuentwickeln.
  • Als Physiker in der Industrie musste ich über den Text lachen, und tatsächlich ist er keine Fiktion.
    Solche Phasen macht man zwangsläufig durch.
    In den letzten Wochen kämpfe ich mit einem bösartigen Experiment: Es liefert reproduzierbare Ergebnisse, ergibt aber keinen Sinn, und es ist auch kein Feld, in dem man zufällig neue Physik entdecken würde.
  • Ich habe es verstanden und fand es lustig, aber besonders bin ich deshalb nicht.
  • Schon genug HN und XKCD gelesen zu haben, reichte aus, um es zu genießen.

• Interessante Tatsache: Am Ende wechselte er tatsächlich in die Informatik.
  Laut Lebenslauf promovierte er im November 2004 an der University of Wisconsin, Madison in Informatik, machte im Mai 2001 seinen Master und erhielt im Juni 1999 einen Bachelor in Physik an der Stanford University.
  https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/cv.html
  Danach arbeitete er fünf Jahre bei IL&M und scheint inzwischen im 14. Jahr bei Google zu sein.
  Am Ende hat er also tatsächlich ziemlich viel Geld verdient: https://www.linkedin.com/in/lucas-kovar-185a3531/

• Der Text scheint aus dem Jahr 2000 zu stammen.
  Zumindest ist er in der Wayback Machine unter https://web.archive.org/web/20001031193257/http://www.cs.wisc.edu/~kovar/hall.html erhalten.

  • https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/cv.html
    Am Ende hat er in Informatik promoviert und ist laut LinkedIn inzwischen wohl Staff SWE bei Google.
    Offenbar ist er am Ende doch auf einem Geldberg gelandet.
  • Der tatsächliche Entstehungszeitpunkt liegt wahrscheinlich vor Juni 1999.
    Denn damals erhielt der Autor seinen Physik-Bachelor in Stanford: https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/cv.html
    Mich würde die Hintergrundgeschichte zu diesem Text interessieren.
    Welche Note er bekommen hat, oder ob er sich erst lange nach dem Kurs privat abreagiert und den Text auf eine Webseite gestellt hat – und ob dieses Projekt tatsächlich der entscheidende Auslöser für seinen Wechsel in die Informatik war.
    https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/bio.html

• Nicht wichtig, aber die HTTP-Header der Seite hatten einen ziemlich beeindruckenden Last-Modified-Wert.
  Sun, 26 May 2002 22:33:04 GMT
  Auch die Struktur des HTML-Codes passt perfekt in diese Zeit.

  • Offenbar nicht mehr.

• Der Text ist witzig, aber irgendjemand muss es sagen:
  Bandstruktur und Festkörpertheorie gehören zu den schönsten Bereichen der Physik, und dass sie die Gesellschaft, wie wir sie kennen, völlig verändert haben, ist dabei eher nebensächlich :)