Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Erste Hinweise auf Higgs-Mechanismus in einem Magnet

07.08.2012
Der britische Physiker Peter Higgs war zuletzt in aller Munde. Forscher am CERN hatten den mutmaßlichen Nachweis des von ihm in den 1960er-Jahren vorhergesagten Higgs-Bosons bekannt gegeben.

Der von ihm vorgeschlagene Higgs-Mechanismus erklärt, wie Elementarteilchen zu ihrer Masse kommen – und spielt auch jenseits der Elementarteilchenphysik eine Rolle. Ein internationales Forscherteam hat mit Hilfe von Neutronenstreuexperimenten erste Hinweise darauf gefunden, dass eben dieser Mechanismus einen Phasenübergang von exotischen magnetischen Zuständen in Yb2Ti2O7-Kristallen nahe des absoluten Nullpunkts erklären kann.


Mit Hilfe äußerst sensitiver Neutronstreuenexperimente an der Garchinger Außenstelle des Forschungszentrum Jülich konnte ein internationales Forscherteam die charakteristischen Merkmale eines Quanten-Spin-Eises (Abbildung links) experimentell nachweisen. Rechts zum Vergleich die Messergebnisse eines „klassischen“ Spin-Eises. Die Forscher fanden, dass der Phasenübergang zwischen dem Quanten-Spin-Eis und einer ferromagnetischen Ordnung durch den so genannten Higgs-Mechanismus bestimmt wird, der wesentlicher Bestandteil des Standardmodells der Elementarteilchenphysik ist.

Quelle: Forschungszentrum Jülich


Links (a): Gitterstruktur von Spin-Eis. Die Spins sitzen an den Enden benachbarter Tetraeder, die zu einem „Pyrochlor-Gitter“ vernetzt sind – ähnlich wie die Anordnung der Wassermoleküle in einem Eiskristall.
Rechts (b): Die Spins an den Eckpunkten eines Tetraeders können entweder nach innen oder nach außen zeigen. Im Grundzustand zeigen bei jedem Tetraeder zwei Spins hinein und zwei heraus. Diese „Eis-Regel“ erlaubt unterschiedliche Konfigurationen (2-in, 2-out). (c) Durch Anregung und geometrische Abweichungen entstehen magnetische Defekte (3-in, 1-out), die zu einem Plus von Nord- oder Südpolen im Inneren führen und sich über die Gitterstruktur fortpflanzen, sodass die Tetraedermitte als magnetischer Monopol angesehen werden kann.

Quelle: Forschungszentrum Jülich

Bei der Abkühlung eines als „Quanten-Spin-Eis“ bezeichneten Zustands beobachteten sie zum ersten Mal Anzeichen für den spontanen Austausch mit dem von Higgs vorhergesagten Higgs-Feld in einem Magneten. Die Ergebnisse sind in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ (DOI: 10.1038/ncomms1989) nachzulesen.

Phasenübergänge beschreiben, wie ein Material von einem Zustand in einen anderen wechselt. Ein gängiges Beispiel ist das Schmelzen von Eis. Daneben gibt es auch Phasenübergänge von elektronischen und magnetischen Zuständen. Die Magnetisierung von Eisen vollzieht sich beispielsweise unterhalb einer bestimmten, kritischen Temperatur alleine aufgrund der elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen Elektronen und deren magnetischen Momenten, den Spins. Doch nicht alle magnetischen Phasenübergänge lassen sich auf diese Weise erklären. Das zeigen die Ergebnisse eines Teams aus deutschen, taiwanesischen, japanischen und britischen Wissenschaftlern, die erste experimentelle Hinweise auf einen sogenannten Higgs-Übergang in Yb2Ti2O7-Kristallen bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts gefunden haben.

Die Existenz dieses Phasenübergangs war bereits lange bekannt, nicht aber, was dabei genau passiert. Erst Experimente mit polarisierten Neutronen an einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) in Garching bei München klärten das Rätsel. Solche Experimente ermöglichen, die magnetische Struktur von Materialien mit atomarer Auflösung zu messen. Die hohe Intensität der Garchinger Neutronenquelle ermöglichte zudem, die schwachen Signale der Probe zu detektieren. Nicht zuletzt konnten dort die Experimente bei den notwendigen tiefen Temperaturen durchgeführt werden.

Die Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich sowie aus Forschungseinrichtungen in Taiwan, Japan und Großbritannien untersuchten zunächst die Phase oberhalb von 210 Milli-Kelvin und fanden dabei ein so genanntes „Quanten-Spin-Eis“ mit magnetischen Monopolen. Der Physiker Paul Dirac hatte solche magnetischen Monopole bereits 1931 vorhergesagt. Experimentell ließen sich lange Zeit jedoch nur magnetische Dipole nachweisen. Diese besitzen ähnlich wie ein Stabmagnet zwei gegensätzliche Pole, die sich nicht voneinander trennen lassen. Erst 2009 ließen sich erstmals auch magnetische Monopole in „klassischem“ Spin-Eis beobachten. Diese verhalten sich wie einzelne, isolierte Nord- oder Südpole, ähnlich wie einzelne magnetische Ladungen. Die Spins, ordnen sich dabei nach demselben Muster an wie Wassermoleküle im Eis. Wobei das untersuchte Quanten-Spin-Eis ein deutlich geringeres magnetisches Moment als normales Spin-Eis besitzt.

„Bei Temperaturen von über 210 Milli-Kelvin formen die magnetischen Monopole des Quanten-Spin-Eises ein sehr komplexes Muster. Unter 210 Milli-Kelvin dagegen ordnen sie sich schlagartig parallel an, also ferromagnetisch wie in Eisen“, erläutert Dr. Yixi Su vom Jülicher Zentrum für Forschung mit Neutronen (JCNS). In der Quantenphysik ist ein solcher Übergang bei extrem tiefen Temperaturen als Bose-Einstein-Kondensation bekannt. Diese setzt aber voraus, dass die beteiligten Teilchen eine Masse haben. Doch die betroffenen magnetischen Monopole sind normalerweise, wie auch im Fall des beobachteten Quanten-Spin-Eises, masselos. Es handelt sich um sogenannte Quasi-Teilchen, die erst durch das Zusammenspiel mehrerer Elektronen entstehen und wie eine Art Welle durch den Kristall wandern. Die Forscher gehen daher davon aus, die typischen Kennzeichen eines Phasenübergangs basierend auf dem Higgs-Mechanismus beobachtet zu haben. „Das wäre der unseres Wissens erste Nachweis eines Higgs-Übergangs in einem Magneten“, berichtet Su.

Der Higgs-Mechanismus erklärt als zentraler Bestandteil des physikalischen Standardmodells, warum Teilchen – auch Elektronen und Quarks, aus denen sich die Atomkerne zusammensetzen – überhaupt eine Masse haben. Verantwortlich ist das sogenannte Higgs-Feld, das im ganzen Universum gegenwärtig ist. Das Feld selbst entzieht sich der direkten Beobachtung. Aber Elementarteilchen – und auch Quasi-Teilchen wie die magnetischen Monopole in diesem Fall – können damit wechselwirken und erhalten dadurch ihre Masse.

Solche quantenmechanischen elektromagnetischen Phänomene genau zu verstehen, ist wesentlich für das Verständnis der modernen Physik. Unter anderem unsere heutige Informationstechnologie basiert darauf. Die Forscher wollen nun Yb2Ti2O7 als Modellsystem nutzen, um interessante Eigenschaften von Quanten-Spin-Flüssigkeiten zu untersuchen. Dabei setzen sie auch weiter auf Neutronenstreuexperimente. „Keine andere Methode ist derzeit sensitiv genug“, so Su.

Originalpublikation:
L.-J. Chang, S. Onoda, Y. Su, Y.-J. Kao, K.-D. Tsuei, Y. Yasui, K. Kakurai & M. R. Lees
Higgs transition from a magnetic Coulomb liquid to a ferromagnet in Yb2Ti2O7
Nature Communications 2012 (to be published online)

Weitere Informationen:
Forschungszentrum Jülich: www.fz-juelich.de
Forschung am Jülich Centre for Neutron Science (JCNS): www.fz-juelich.de/jcns/DE/
Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II): www.frm2.tum.de

Ansprechpartner:
Dr. Yixi Su, Jülich Centre for Neutron Science (JCNS), Forschungszentrum Jülich, Tel. 089 289 10714, E-Mail: y.su@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich,
Tel. 02461 61-6048, E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de

Angela Wenzik | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise