Wenn Ionen sich näher kommen: RUB-Forscher entdecken neue physikalische Anziehungskraft

Heutzutage sind immer kleinere und leistungsstärkere Computerchips gefragt. Physiker der RUB haben eine neue physikalische Anziehungskraft entdeckt, die diesen Fortschritt beschleunigt. Prof. Dr. Padma Kant Shukla und Dr. Bengt Eliasson fanden ein bisher nicht bekanntes Phänomen in Quanten-Plasmen.

Ein negativ geladenes Potential ermöglicht es, innerhalb des Plasmas positiv geladene Teilchen (Ionen) in atom-ähnlichen Strukturen zu bündeln. Dadurch kann Strom wesentlich schneller und effizienter geleitet werden als bisher und es eröffnen sich neue Perspektiven für Nanotechnologien. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in Physical Review Letters (der Beitrag erscheint am 13. April).

Elektronen und Ionen in gewöhnlichen Plasmen

Ein gewöhnliches Plasma ist ein ionisiertes elektrisch leitendes Gas, bestehend aus positiven (Ionen) und negativen Ladungsträgern (sog. nicht entarteten Elektronen). Es ist der Hauptbestandteil unseres Sonnensystems. Auf der Erde können solche Plasmen unter anderem zur Energiegewinnung in kontrollierten thermonuklearen Fusions-Plasmen, ähnlich der Sonne, oder aber auch zur Krankheitsbekämpfung in der Medizin genutzt werden.

Neuer Effekt auf atomaren Skalen in Quanten-Plasmen

Quanten-Plasmen erweitern den Anwendungsbereich auf Nano-Skalen, wenn quanten-mechanische-Effekte an Bedeutung gewinnen. Das ist der Fall, wenn im Vergleich zu gewöhnlichen Plasmen die Plasma-Dichte sehr hoch und die Temperatur niedrig ist. Dann tritt das neu entdeckte Potential auf, das durch kollektive Wechselwirkungsprozesse entarteter Elektronen mit dem Quanten-Plasma entsteht. Solche Plasmen finden sich z.B. in Kernen von Sternen mit versiegendem nuklearen Energievorrat (Weiße Zwerge) oder sie können künstlich im Labor mit Hilfe von Laser-Bestrahlungen erzeugt werden. Das neue negative Potential führt zu einer anziehenden Kraft zwischen den Ionen, die sich dann zu Gittern formieren. Sie werden komprimiert und die Abstände zwischen ihnen verkürzt, so dass Strom weitaus schneller hindurch fließen kann.

Mikrochips und Halbleiter

Die Erkenntnisse der Bochumer Wissenschaftler eröffnen die Möglichkeit der Ionen-Kristallisation auf der Größenskala eines Atoms. Sie begründen damit eine neue Richtung der Forschung, die in der Lage ist verschiedene Disziplinen der Physik miteinander zu verknüpfen. Anwendungsmöglichkeiten sind beispielsweise Mikrochips für Quanten-Computer, Halbleiter, dünne Metallfolien oder auch metallische Nanostrukturen.

Titelaufnahme

P. K. Shukla, B. Eliasson (2012): Novel Attractive Force Between Ions in Quantum Plasmas, Physical Review Letters (in print)

Weitere Informationen

Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Padma Kant Shukla, RUB International Chair, Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität Bochum, 0234/32-23759, profshukla@yahoo.de

Redaktion: Marie-Astrid Reinartz