Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Berliner Magnetfelder erzeugen ungewöhnlichen Materiezustand

27.05.2003


In einem Experiment am Hahn-Meitner-Institut in Berlin wurden zum ersten Mal die magnetischen Eigenschaften eines Kristalls für die Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats genutzt.



Dieser ungewöhnliche Materiezustand entstand, als der Kristall in ein starkes Magnetfeld von 14 Tesla gebracht wurde und konnte mit Hilfe von Neutronen aus dem Forschungsreaktor des Hahn-Meitner-Instituts nachgewiesen werden. Mit Magnetfeldern von bis zu 17 Tesla (mehr als das 200.000-fache des Erdmagnetfelds) bei Experimenten mit Neutronen stehen in Berlin weltweit einzigartige Forschungsmöglichkeiten zur Verfügung, die Voraussetzung für Erzeugung und Nachweis des Kondensats waren.



Das Bose-Einstein-Kondensat

Nach den Gesetzen der Quantenphysik können Teilchen, die sich in einem begrenzten Raum aufhalten, nicht eine beliebige Energie haben, sondern müssen einen der möglichen Energiezustände einnehmen. In einem Atom etwa sind die Elektronen, die den Kern umkreisen, auf bestimmte Niveaus verteilt, wobei jedes Niveau nur von einem Elektron besetzt wird. Dies ist eine besondere Eigenschaft von Fermionen, Teilchen, die - wie das Elektron - nie zu mehreren denselben Zustand besetzen können. Anders ist das bei den Bosonen. Diese halten sich gerne zu mehreren in einem Zustand auf, werden aber in der Regel durch ihre Wärmebewegung daran gehindert, sich alle im Grundzustand - dem Zustand niedrigster Energie - zu versammeln.

Die Eigenschaften der Bosonen und die daraus folgende Möglichkeit, dass sich bei sehr tiefen Temperaturen alle Teilchen eines Systems in ein und demselben Zustand befinden, sagten in den 20-er Jahren des 20. Jahrhunderts der indische Physiker Satyendra Nath Bose und der vor allem als Begründer der Relativitätstheorie bekannte Albert Einstein voraus. Alle Teilchen, die an diesem Zustand teilhaben, haben exakt die gleichen Eigenschaften und verhalten sich auch identisch, was zu außergewöhnlichen physikalischen Phänomenen führen kann: sehr kaltes Helium wird superfluid, das heißt es fließt ohne innere Reibung, einige Substanzen werden bei niedrigen Temperaturen supraleitend, leiten also Strom ohne Widerstand. Hier bilden je zwei Elektronen ein so genanntes Cooper-Paar, das sich als Boson verhält. Besonders viel Aufsehen haben vor wenigen Jahren Bose-Einstein-Kondensate aus extrem kalten Natrium- oder Kaliumgasen erregt, in denen die Entstehung des Kondensats unmittelbar sichtbar gemacht werden konnte.

Das Kondensat im Kristall

Bei den Kristallen, in denen das Kondensat entdeckt worden ist, handelt es sich um die ungewöhnliche chemische Verbindung TlCuCl3 (Thallium-Kupfer-Trichlorid). Die Kupferatome wirken durch Ihren Spin (Eigenrotation) wie kleine Elementarmagnete. Normalerweise finden sich in diesen Kristallen jeweils zwei solche Atome mit entgegengesetzten Rotationsrichtungen zusammen, so dass deren Felder sich kompensieren. Erst wenn man von außen ein sehr hohes Magnetfeld anlegt, kann man die Spins zwingen, sich parallel zu stellen, das heißt es entsteht ein neuer Zustand niedrigster Energie, in dem die Spins parallel sein können. In diesem Grundzustand sammeln sich dann die Paare von Kupferatomen und bilden das Bose-Einstein-Kondensat. Während die weiter oben beschriebenen Kondensate durch Abkühlung erzeugt wurden, hielt man bei der Erzeugung des neuen Kondensats im Kristall die Temperatur auf 1,5 Kelvin beziehungsweise 50 Millikelvin konstant und erhöhte das Magnetfeld. Dabei veränderten sich bei einem Magnetfeld von rund sechs Tesla die Eigenschaften der Probe grundsätzlich, die nun ein Verhalten zeigte, das den theoretischen Voraussagen für ein Bose-Einstein-Kondensat entsprach.

Untersuchung mit Neutronen - Magnetfelder am Hahn-Meitner-Institut machen das Kondensat erst möglich

Die Eigenschaften der Probe wurden mit Hilfe der inelastischen Neutronenstreuung bestimmt. Neutronen sind für diese Untersuchungen besonders geeignet: Sie haben keine elektrische Ladung, aber ein magnetisches Moment, können also tief in die Probe eindringen und Informationen über deren magnetische Eigenschaften mitbringen. In den entscheidenden Experimenten wurden Neutronen aus dem Forschungsreaktor des Berliner Hahn-Meitner-Instituts genutzt. Nur hier konnte während der Untersuchung mit Neutronen ein Magnetfeld von 14 Tesla angelegt werden, das weit über dem Mindestwert von sechs Tesla lag und so nicht nur die Erzeugung sondern auch den eindeutigen Nachweis des Kondensats möglich machte.

Beim Durchgang durch die Probe erzeugen die Neutronen Spinwellen - wellenförmige Schwingungen der Spins -, an die sie einen Teil ihres Impulses und ihrer Energie abgeben. Aus der Veränderung dieser Größen beim Neutron kann man auf die Eigenschaften der Spinwelle schließen. Im gewöhnlichen Zustand ist der Zusammenhang zwischen der Energie und dem Impuls einer Spinwelle quadratisch, das heißt seine Energie ist proportional zum Quadrat des Impulses. Im vorliegenden Falle war die Energie dem Impuls proportional, was - wie man mit Hilfe theoretischer Berechnungen zeigen konnte - ein klarer Hinweis auf die Entstehung eines Kondensats ist.

Die Forscher

Die Idee für das Experiment stammt von Christian Rüegg, Nordal Cavadini und Albert Furrer, drei Wissenschaftlern von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich. Die schwierige Aufgabe, den benötigten TlCuCl3-Kristall herzustellen, übernahmen Hans Ulrich Güdel und Karl Krämer von der Universität Bern. Nach Messungen am Paul-Scherrer-Institut in Villigen (Schweiz) und am Institut Laue-Langevin in Grenoble entschlossen sich die Zürcher Forscher, auf die technischen Möglichkeiten des Hahn-Meitner-Instituts - insbesondere die weltweit stärksten Magnetfelder für die Neutronenforschung - und die Unterstützung der dort tätigen Wissenschaftler Klaus Habicht und Peter Vorderwisch zurückzugreifen. Die von Michael Meißner und Peter Smeibidl betreuten Anlagen zur Erzeugung extremer Probenumgebungen, wie niedriger Temperaturen oder starker Magnetfelder, sind für viele Forscher der entscheidende Grund, ihre Neutronenstreuexperimente in Berlin durchzuführen.

Kontakt:

Dr. Klaus Habicht
Telefon: (030) 8062-2807
E-Mail: habicht@hmi.de

Dr. Peter Vorderwisch
Telefon: (030) 8062-2171
E-Mail: vorderwisch@hmi.de

Thomas Robertson | idw
Weitere Informationen:
http://www.hmi.de/bensc/sample-env/index_en.html

Weitere Berichte zu: Bose-Einstein-Kondensat Elektron Kondensat Magnetfeld Neutron Spin Tesla

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall
22.08.2017 | Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe

nachricht Im Neptun regnet es Diamanten: Forscherteam enthüllt Innenleben kosmischer Eisgiganten
21.08.2017 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer IPM präsentiert »Deep Learning Framework« zur automatisierten Interpretation von 3D-Daten

22.08.2017 | Informationstechnologie

Globale Klimaextreme nach Vulkanausbrüchen

22.08.2017 | Geowissenschaften

RWI/ISL-Containerumschlag-Index erreicht neuen Höchstwert

22.08.2017 | Wirtschaft Finanzen