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Lexikon der Physik: Supraleiter

Supraleiter, supraleitende Materialien, metallisch leitende Stoffe, die beim Abkühlen bei einer kritischen Temperatur, der sog. Sprungtemperatur Tc, in einen Zustand mit verschwindendem Gleichstrom-Widerstand übergehen.

Die Gruppe um Kamerlingh Onnes in Leiden entdeckte die Supraleitung neben Quecksilber (1911) auch bei Blei und Zinn (1912). Bereits in den 20er Jahren wurde das Auftreten der Supraleitung in den niedrig-schmelzenden Legierungen der Hauptgruppenelemente gefunden und dann in den 30er Jahren in vielen Übergangsmetallen (mit offener d-Schale) und deren Carbiden und Nitriden (Meißner und Mitarbeiter). Eine intensive Suche nach neuen Supraleitern begann nach dem zweiten Weltkrieg und gipfelte in einem maximalen Tc-Wert von etwa 23 K für das System Nb3Ge im Jahre 1974. Erst in den 90er Jahren wurde eine neue intermetallische Phase mit ähnlich hohem Tc-Wert gefunden (YPd5B3C0,3; Tc = 22,6 K). Mitte der 70er Jahre wurden die Schwerfermionsupraleiter, Ende der 70er Jahre die Organischen Supraleiter und 1986 die Hochtemperatur-Supraleiter (Tc > 30 K) entdeckt. Vor allem B.T. Matthias hat auf Grund phänomenologischer Überlegungen immer neue Verbindungsgruppen als supraleitend erschlossen. Supraleitung wurde in allen Substanzklassen der anorganischen Festkörperchemie gefunden. Man findet Supraleiter unter den metallisch leitenden Elementen (27 von 59), Legierungen, intermetallischen Verbindungen, Hydriden, Boriden, Carbiden, Nitriden, Oxiden, einigen Pniktiden (Verbindungen der Metalle mit P, As, Sb, Bi), Chalkogeniden (Verbindungen der Metalle mit S, Se, Te), und sogar Halogeniden (LixZrNCl). Manche Elemente und Verbindungen werden erst unter Druck supraleitend. Allein bis Ende der 70er Jahre sind etwa 5 000 Substanzen auf Supraleitung hin untersucht worden (exzellente Zusammenstellung dieser Ergebnisse von Roberts). Mit Ausnahme einiger Hauptgruppenelemente sind alle in diesem Stichwort angesprochenen supraleitenden Verbindungen Supraleiter zweiter Art (BCS-Supraleiter, Singulett-s-Wellen Supraleiter). Die höchsten Tc-Werte der konventionellen Supraleiter sind bei den Übergangsmetallen und deren Verbindungen gefunden worden. Bislang gibt es keine geschlossene Theorie, die es erlauben würde vorauszusagen, welche metallisch leitenden Systeme supraleitend werden könnten, lediglich einige qualitative Regeln erlauben, die Suche nach neuen Supraleitern zu leiten. Trägt man die beobachteten Tc-Werte gegen die Zahl der Valenzelektronen der an der Verbindung beteiligten Atome auf, findet man zwei Maxima bei 4-5 und bei 6-7 Valenzelektronen pro Atom. Solche Kurven findet man für die Übergangsmetalle und ihre festen Lösungen untereinander, die Laves-Phasen (intermetallische Verbindungen der Zusammensetzung AB2; Verhältnis der Atomradien A : B ≈ 1,225; kubische oder hexagonale Symmetrie), die A15-Phasen (A15-oder β-Wolfram-Struktur; kubische Symmetrie; intermetallische Phasen der Zusammensetzung A3B, mit A = Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Ta, W; B = Hauptgruppenelemente wie Al, Si, P, Ga, Ge, As, In, Sn, Sb, Pb, Bi oder die Übergangselemente Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt, Au, siehe Abb. 1) und die Chevrel-Phasen (ternäre Chalkogenide des Mo mit der Zusammensetzung AxMo6X8; A = Alkalimetalle, andere Hauptgruppenmetalle wie Sn, Pb, niederwertige Übergangsmetalle wie Cu, Ag, Zn, Cd, und Seltenerdmetalle, siehe Abb. 2). Die größte Anzahl von Verbindungen mit hohen Tc-Werten (10 K Tc 23 K) findet man bei den A15-Phasen. Eine Häufung von Tc-Werten oberhalb 10 K tritt v.a. in solchen Systemen auf, die starke Metall-Metall-Wechselwirkungen (Bildung von Metallketten wie in den A15-Phasen, oder Metallcluster in den Chevrel-Phasen) aufweisen, oder die zu strukturellen Instabilitäten neigen. Während das Auftreten ferromagnetischer Ordnung Supraleitung unmöglich macht, sind sehr wohl Beispiele bekannt, in denen antiferromagnetische Ordnung und Supraleitung koexistieren (Chevrel-Phasen mit Selten-Erdionen in den Cluster-Zwischenräumen, und die Selten-Erd-Rhodium-Boride SERh4B4, siehe Abb. 3).

Lange bevor die Hochtemperatur-Supraleiter entdeckt wurden, waren Oxide mit Perowskit-Struktur als supraleitend bekannt geworden, so Nb substituiertes SrTiO3, und Ba(Pb1 - xBix)O3, letzteres mit einem Tc-Wert von 11 K. In der Verbindung BaBiO3 (x = 1) konnte durch die partielle Substitution des Ba durch Kalium der Tc-Wert mehr als verdoppelt werden. Weitere supraleitende Oxide sind die Wolframbronzen AxWO3 (mit A = Na, K, Rb, Cs; tetragonal verzerrte Perowskit-Struktur oder in der hexagonalen Modifikation) und der Spinell LixTi3 - xO4, mit 0,8 ≤ x ≤ 1,33.

Die höchsten Tc-Werte der Hauptgruppenverbindungen wurden für die Alkaliderivate des Fullerens gefunden, einer andere Klasse von Hochtemperatursupraleitern. Demgegenüber weisen die Alkaliderivate des Graphits KC8, RbC8, und CsC8 Sprungpunkte von etwa 500 mK, 100 mK bzw. 20 mK auf. Erwähnt sei noch das einzige supraleitende, anorganische Polymer, (SN)x und dessen Bromderivat (Tc ≈ 0,3 K)

Nur wenige Systeme haben bisher technische Anwendungen gefunden, z.B. Nb (SQUIDs), NbTi und Nb3Sn beim Bau von supraleitenden Hochfeldmagneten (z.B. für Beschleuniger und Kernspintomographie) und jüngst die Hochtemperatur-Supraleiter, v.a. Y-123.

Supraleiter: Sprungtemperaturen supraleitender Materialien (Cu-Oxid basierte Verbindungen siehe Tab. Hochtemperatur-Supraleiter). Bei den Organischen Supraleitern steht TMTSF für Tetramethyl-Tetraselenafulvalen und BEDT-TTF für Bis-(Ethylendithia)-Tetrathiofulvalen.

Verbindung Tc [K]
kubisch-flächenzentriert
Pb 7,2
kubisch-innenzentriert:
Nb 9,25
NaCl-Struktur:
NbN 17,3
NbC 11
MoC 14,3
PdHx 4 (x = 0,87)
9 (x ≈ 1)
Laves-Phase (C15):
ZrV2 9,6
TaV2 3,6 (C15)
10 (C14)
A15-Phase:
V3Al 11,7
V3Ga 15,9
V3In 13,9
V3Si 17,9
V3Ge 11,2
V3Sn 12-18
Nb3Al 18,8
Nb3Ga 20,3
Nb3Si 18-19
Nb3Ge 23,2
Nb3Sn 18
Alkaliderivate des Fullerens:
KC60 18
RbC60 22
CsC60 33
Perowskit-Struktur:
Ba0.6K0.4BiO3 ≈ 30
Ba(Pb1 - xBix)O3 11
Spinellstruktur:
LixTi3 - xO4 13,7
Carboborid (ThCr2Si2-Typ):
LuNi2B2C 17
Selten-Erd-Rhodium-Boride:
YRh4B4 11,34
LuRh4B4 11,76
Chevrel-Phase:
NaMo6S8 8-9
Cu2Mo6S8 10-11,3
Sn1,2Mo6S8 10,8-14,2
PbMo6,4S8 14-15,2
LaMo6S8 6-7
LaMo6Se8 11-12
PrMo6S8 9,2
Sm1,2Mo6S8 6,8
Organische Supraleiter:
(TMTSF)2ClO4 1,4
(TMTSF)2PF6 1 (5-12 kbar)
(BEDT-TTF)2ReO4 2 (4,5 kbar)
β-(BEDT-TTF)2I3 1,4
κ-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2 10,4
κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br 11,6



Supraleiter 1: Die Kristallstruktur der A-15-Phasen A3B. Die weißen Kreise bezeichnen die B-Atome, die grau schraffierten die A-Atome.



Supraleiter 2: Struktur der Chevrel-Phase AMo6X8 am Beispiel des PbMo6S8.



Supraleiter 3: Schematische Darstellung der Kristallstruktur des YRh4B4. Es sind der Übersichtlichkeit halber nicht alle Boratome eingezeichnet.

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Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
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Holger Mathiszik, Bensheim [HM3] (A) (29)
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Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
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Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09; Essay Akustik)
Guenter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Maritha Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Dr. Christopher Monroe, Boulder, USA [CM] (A) (Essay Atom- und Ionenfallen)
Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33; Essay Alltagsphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Regensburg [NN] (A) (05)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06; Essay Analytische Mechanik)
Prof. Dr. Harry Paul, Berlin [HP] (A) (13)
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Prof. Dr. Günter Radons, Stuttgart [GR2] (A) (11)
Oliver Rattunde, Freiburg [OR2] (A) (16; Essay Clusterphysik)
Dr. Karl-Henning Rehren, Göttingen [KHR] (A) (Essay Algebraische Quantenfeldtheorie)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
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Hans-Jörg Rutsch, Heidelberg [HJR] (A) (29)
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Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33; Essay Optische Erscheinungen der Atmosphäre)
Dr. Christian Eurich, Bremen [CE] (A) (Essay Neuronale Netze)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15; Essay Perkolationstheorie)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Harald Fuchs, Münster [HF] (A) (Essay Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
Prof. Dr. Gerd Graßhoff, Bern [GG] (A) (02)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Prof. Dr. Michael Grodzicki, Salzburg [MG1] (B) (01, 16)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Christoph Heinze, Hamburg [CH3] (A) (29)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Florian Herold, München [FH] (A) (20)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
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Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Dr. Catherine Journet, Stuttgart [CJ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen, [JK] (A) (04; Essay Numerische Methoden in der Physik)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15; Essay Quantengravitation)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Dr. Uwe Klemradt, München [UK1] (A) (20, Essay Phasenübergänge und kritische Phänomene)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Berndt Koslowski, Ulm [BK] (A) (Essay Ober- und Grenzflächenphysik)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Jens Kreisel, Grenoble [JK2] (A) (20)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
Volker Lauff, Magdeburg [VL] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
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Dr. Rudi Michalak, Augsburg [RM1] (A) (23)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20; Essays Molekularstrahlepitaxie, Ober- und Grenzflächenphysik und Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
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Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15; Essay Quantenmechanik und ihre Interpretationen)
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Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
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Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Michael Schmid, Stuttgart [MS5] (A) (Essay Nanoröhrchen)
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Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
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Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (B)
Dr. Siegmund Stintzing, München [SS1] (A) (22)
Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
Dr. Volker Theileis, München [VT] (A) (20)
Prof. Dr. Gerald 't Hooft, Utrecht, NL [GT2] (A) (Essay Renormierung)
Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
Dr. Hildegard Wasmuth-Fries, Ludwigshafen [HWF] (A) (26)
Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
Priv.-Doz. Dr. Burghard Weiss, Lübeck [BW2] (A) (02)
Prof. Dr. Klaus Winter, Berlin [KW] (A) (Essay Neutrinophysik)
Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23; Essay Organische Supraleiter)
Priv.-Doz. Dr. Jörg Zegenhagen, Stuttgart [JZ3] (A) (21; Essay Oberflächenrekonstruktionen)
Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)
Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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In eckigen Klammern steht das Autorenkürzel, die Zahl in der runden Klammer ist die Fachgebietsnummer; eine Liste der Fachgebiete findet sich im Vorwort.

Prof. Dr. Klaus Andres, Garching [KA] (A) (10)
Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
Prof. Tamás S. Biró, Budapest [TB2] (A) (15)
Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
Dr. Matthias Delbrück, Dossenheim [MD] (A) (12, 24, 29)
Prof. Dr. Martin Dressel, Stuttgart (A) (Essay Spindichtewellen)
Dr. Michael Eckert, München [ME] (A) (02)
Dr. Dietrich Einzel, Garching (A) (Essay Supraleitung und Suprafluidität)
Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
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Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
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Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
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Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
Volker Lauff, Magdeburg [VL] (A) (04)
Dr. Anton Lerf, Garching [AL1] (A) (23)
Dr. Detlef Lohse, Twente, NL (A) (Essay Sonolumineszenz)
Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
Prof. Dr. Jan Louis, Halle (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
Prof. Dr. Karl Otto Münnich, Heidelberg (A) (Essay Umweltphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Prof. Dr. Erhard Scholz, Wuppertal [ES] (A) (02)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14; Essay Spezielle Relativitätstheorie)
Dr. Erwin Schuberth, Garching [ES4] (A) (23)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (B)
Dr. Siegmund Stintzing, München [SS1] (A) (22)
Dr. Berthold Suchan, Gießen [BS] (A) (Essay Wissenschaftsphilosophie)
Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
Dr. Volker Theileis, München [VT] (A) (20)
Prof. Dr. Stefan Theisen, München (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Dr. Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
Dr. Martin Werner, Hamburg [MW] (A) (29)
Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
Dr. Stefan L. Wolff, München [SW1] (A) (02)
Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23)
Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)
Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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