Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker beobachten kleinste Veränderungen im elektrischen Stromfluss

05.03.2008
Wissenschaftler um Prof. Jörg Schmiedmayer untersuchen den elektrischen Stromfluss mit einer neuen Methode bis hin in den Mikrometer-Bereich - Experimente waren Thema der Dissertation von Dr. Simon Aigner und wurden am Physikalischen Institut der Universität Heidelberg durchgeführt - Veröffentlichung in der jüngsten Ausgabe von "Science"

Traditionellerweise wird elektrischer Strom zur Veranschaulichung oft mit fließendem Wasser verglichen.

Diesen Stromfluss haben nun Wissenschafter um Jörg Schmiedmayer an der TU Wien gemeinsam mit Kollegen von der Universität Heidelberg und der Gruppe von Ron Folman an der Ben-Gurion Universität in Israel mit Hilfe einer neuen Beobachtungsmethode genauest untersucht, bis hin in den Mikrometer-Bereich. Die Untersuchungen mit der so genannten "Magnetfeldmikroskopie mit ultrakalten Atomen" wurden in der jüngsten Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift "Science" veröffentlicht.

Mit der erst vor wenigen Jahren in der Gruppe von Jörg Schmiedmayer an der Universität Heidelberg entwickelten Methode messen die Physiker feinste Magnetfelder und deren Veränderungen. Als Sensor dient eine Wolke aus Atomen, die bis nahe an den absoluten Nullpunkt, bis hin zum Bose-Einstein-Kondensat, abgekühlt wird. Die Wolke wird in einer Magnetfalle über einer Probe positioniert. Kleinste Variationen des Magnetfeldes innerhalb der Probe machen sich in der kalten Atomwolke als unterschiedliche Dichten bemerkbar, diese wiederum können mittels eines Laserstrahls optisch sichtbar gemacht werden. Aus diesen Veränderungen der Dichte der Atomwolke kann man auf kleinste Änderungen im Stromfluss zurückschließen.

Im konkreten Experiment setzten die Forscher eine Wolke aus ultrakalten (T~100nK) Rubidiumatomen ein, die über einem stromdurchflossenen hauchdünnen Goldfilm positioniert wurde. Durch die Beobachtung der Magnetfelder mit einer räumlichen Auflösung von drei Mikrometern konnten die Physiker auf den Fluss von elektrischem Strom im Goldfilm schließen und das flächig.

Die Methode ist derart genau, dass lokale Änderungen der Stromflussrichtung von 1/1000 Grad vermessen werden können (das entspricht einer Ablenkung von wenigen Millimetern auf 100 Meter). Dazu benötigt man eine Magnetfeldkarte, bei der selbst Unterschiede im Bereich von Nano-Tesla oder weniger angezeigt werden. Zum Vergleich: Ein Nano-Tesla sind 1/100000 (ein Hunderttausendstel) des Erdmagnetfeldes.

In der am 29. Februar 2008 in 'Science' erschienenen Arbeit haben die Wissenschafter dieses Magnetfeldmikroskop zur Untersuchung von Stromfluss in dünnen Goldschichten angewendet. Die Beobachtung des Stromflusses im Mikrometer-Bereich zeigte, dass dieser nicht gleichförmig durch den Goldfilm zieht. Wie bei einem flachen Bach, in dem der Wasserfluss durch Steine und sonstige Hindernisse gestört wird, ist der Stromfluss zahlreichen und zufällig verteilten Störungen unterworfen, welche auf Defekte und Widerstände in der Folie zurückzuführen sind. Die besondere Empfindlichkeit und die gute Ortsauflösung des Magnetfeldmikroskops ermöglichte nun einen neuartigen Einblick in diesen Stromtransport in metallischen Leitern mit einigen überraschenden Ergebnissen, die mit konventionellen Methoden der Materialwissenschaften nicht zugänglich waren.

(1) Obwohl der Stromfluss im Leiter durch Diffusion der Elektronen mit einer freien Weglänge von 40 nm bestimmt ist, findet man langreichweitige +/- 45 Grad orientierte Muster, die bis über 100 µm Distanz verfolgt werden können. Diese Muster spiegeln den fundamentalen Prozess der Elektronenstreuung an einem Defekt wider.

(2) Der Strom fließt in den dünnsten Goldschichten am geradesten, viel gerader als man naiv erwarten würde. Durch eine detaillierte Analyse kann man zeigen, dass verschiedene Komponenten zu den Stromfluss-Richtungsänderungen beitragen und sich in den untersuchten Drähten unterschiedlich verhalten. Diese Ergebnisse sind zum Teil im Widerspruch zu dem, was man aus den 'traditionellen' Untersuchungen erwarten würde.

Magnetfeldmikroskopie mit ultrakalten Atomen ist ein sehr schönes Beispiel dafür, dass Erkenntnisse der quantenphysikalischen Grundlagenforschung oft auch in sehr angewandten Wissenschaftsgebieten wie der Materialwissenschaft neue und überraschende Einblicke geben können. Die neuen Experimente erlauben erstmals einen sehr feinen Blick auf den Stromfluss in verschiedenen Materialien - und das über große Flächen mit hoher räumlicher Auflösung. Die Wissenschafter erwarten sich durch die Anwendung der Magnetfeldmikroskopie viele neue Erkenntnisse sowohl für die Grundlagenforschung als auch für Mikro- und Nano-Elektronik, oder in den Materialwissenschaften.

Long-Range Order in Electronic Transport through Disordered Metal Films
S. Aigner, L. Della Pietra, Y. Japha, O. Entin-Wohlman, T. David, R. Salem, R. Folman, J. Schmiedmayer
Science 319 1226 (2008)
Andere Literatur zum Mikroskop
S. Wildermuth et al., Nature, 435, 440 (2005).
S. Wildermuth et al., Appl. Phys. Lett., 88, 264103 (2006).
Übersichtsartikel zu Atom Chips:
R. Folman et al., Advances of Atomic and Molecular and Optical Physics,
48, 263 (2002).
Kontakt:
Prof. Jörg Schmiedmayer
TU Wien
Tel. +43-1-58801 14101
schmiedmayer@atomchip.org
Allgemeine Rückfragen von Journalisten auch an:
Irene Thewalt
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Dr. Michael Schwarz | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-heidelberg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise