Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kristalle, die flüssiger als Flüssigkeiten sind

20.03.2017

Physiker aus Augsburg und Dresden finden experimentelle Hinweise, dass sich Superfluidität und Supersolidität in magnetischen Systemen realisieren lassen.

Ein Material, das flüssig und zugleich fest ist, geht an die Grenzen dessen, was man sich gemeinhin vorzustellen vermag. Gleichwohl wird von der Physik seit über 50 Jahren theoretisch vorhergesagt, dass es solche als supersolid bezeichnete Materialien bzw. Materialzustände gibt. So waren theoretische Modelle zur Supersolidität Gegenstand intensiver Forschungen der klügsten Köpfe in der Physik, darunter die Nobelpreisträger Thouless, Anderson und Legget.


Darstellung der Spinell-Verbindung MnCr2S4 (Mn: rot, Cr: blau, S: gelb) als Supersolid: Geordnete Chromspins (rot) sind von Manganspins (gelb) umgeben, die die Symmetrie einer Supersolid-Phase haben.

© V. Tsurkan

Möglichkeiten, solch einen exotischen Materialzustand experimentell zu beobachten bzw. in einem Material zu realisieren, wurden bis heute allerdings nicht gefunden. Zeitgleich mit zwei internationalen Forschergruppen, die durch die Anwendung sogenannter „Atomfallen“ jetzt erfolgreich waren, berichten Physiker aus Augsburg und Dresden aktuell in Science Advances über einen von ihnen entdeckten Weg der Realisation von Supersolidität in Spinsystemen bei sehr hohen Magnetfeldern.

Fest, flüssig und gasförmig – das sind die drei klassischen Zustände von Materie, die uns vertraut sind. Dass ein Material zwei dieser Eigenschaften gleichzeitig besitzen könnte, widerspricht unserer Erfahrung und ist nur schwer vorstellbar. Noch unvorstellbarer scheint die Annahme, dass ein Material fest, also kristallin, und zugleich nicht nur flüssig, sondern superflüssig – also ohne jegliche Viskosität – sein könnte.

Die Physik kennt allerdings superfluides, also superflüssiges Helium, das völlig reibungsfrei durch engste Kapillaren dringen kann. Sie kennt auch supraleitende Elektronen, die Paare bilden und sich ohne jeden elektrischen Widerstand durch Metalle fortbewegen können. Aber weder Reibungsfreiheit noch das Fehlen jeglichen elektrischen Widerstands sind „normal“.

Beide sind prominente Beispiele für das 1924 vorhergesagte Bose-Einstein-Kondensat (BEK), mit dem ein extremer Aggregatzustand ununterscheidbarer Teilchen gemeint ist, ein makroskopischer Quantenzustand, der sich mit der klassischen Physik nicht bis ins Letzte erklären lässt.

Supersolidität – ein kristalliner Festkörper, der durch Quantenphänomene auch superfluide Eigenschaften aufweist, sich also wie eine Flüssigkeit ohne Viskosität verhalten kann – ist u. U. ein weiteres Beispiel für ein Bose-Einstein-Kondensat.

Deshalb ist Supersolidität ein weltweit aktuelles Thema der Forschung. Die von Antony Legget (Nobelpreis 2003) bereits im Jahre 1970 gestellte Frage „Can a Solid be Superfluid?“ konnte allerdings bis heute experimentell nicht zufriedenstellend beantwortet werden.

Über lange Zeit hinweg war es die größte Hoffnung der physikalischen Community, Supersolidität in ultrakaltem festem Helium zu realisieren. Diese Hoffnung hat sich nicht erfüllt. Als realistische alternative Methode zur Realisierung von Supersolidität wurden einzig lasergekühlte Atomfallen angesehen – eine Methode, bei der die Realisierung von Bose-Einstein-Kondensaten mit einer Anzahl von einigen hundert Atomen angestrebt wird. Und in der Tat konnten jüngst zwei internationale Arbeitsgruppen über die erstmalige Realisierung von Supersolidität auf eben diesem Weg berichten (J. Léonard et al., Nature 543, 87, 2017; J.-R. Li et al., Nature 543, 91, 2017).

Einen ganz neuen, auf magnetischen Spinsystemen beruhenden Weg zur Verwirklichung von Bose-Einstein Kondensationen bzw. von Phänomenen wie Superfluidität und Supersolidität sind Forscher des Zentrums für Elektronische Korrelationen und Magnetismus der Universität Augsburg in Kooperation mit Kollegen des Hochfeldmagnetlabors am Helmholtz-Zentrum Dresde-Rossendorf jetzt gegangen – und dies mit Erfolg: In Science Advances beschreiben sie, wie mit der Bose-Einstein-Kondensation von Magnonen – das sind angeregte Spinzustände in einem magnetischen Kristallgitter – kohärente Quantenzustände erzeugt werden können.

Atomare Spins im magnetischen Kristallgitter besitzen kollektive Anregungszustände sogenannte Magnonen. Die Bose-Einstein-Kondensation solcher Magnonen scheint sich nun als ein weiterer möglicher Weg zur Realisation kohärenter Quantenzustände zu erweisen: In einem von mit extrem hohen Magnetfeldern angeregten Spinsystem glauben die Physiker aus Augsburg und Dresden Superfluidät und insbesondere Supersolidität dingfest gemacht zu haben.

Sie wählten für ihre Untersuchungen die Mangan-Chrom-Schwefel-Verbindung MnCr2S4, einen Mangan-Chrom-Spinell, der bei tiefen Temperaturen eine ungewöhnliche Spinordnung zeigt: Im magnetischen Austauschfeld der Chrom-Spins richten sich die Mangan-Spins annähernd antiparallel aus, die Mangan-Spins wiederum zeigen aufgrund frustrierter Wechselwirkungen einen komplexen magnetischen Grundzustand, der als superfluide Phase charakterisiert werden kann. In hohen Magnetfeldern kann dieser Zustand sogar in eine supersolide Phase transformiert werden.

„In Kooperation mit der Gruppe des Kollegen Wosnitza in Dresden haben wir im dortigen Hochfeld-Magnetlabor MnCr2S4-Einkristalle mittels Magnetisierung und Ultraschall bei tiefen Temperaturen und Magnetfeldern von bis zu 60 Tesla untersucht“, berichtet Prof. Dr. Alois Loidl, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentalphysik V am Augsburger Zentrum für Elektronische Korrelationen und Magnetismus. „Bei sehr hohen Magnetfeldern“, so Loidl weiter, „fanden wir in der Probe einen ungewöhnlich robusten magnetischen Zustand, bei dem die Mangan-Spins ideale antiparallele, also antiferromagnetische Ordnung zeigen. In diesem Zustand wird das magnetische Chrom-Austauschfeld durch das extrem hohe von außen angelegte Magnetfeld ideal kompensiert. Die Magnetisierung bleibt in einem Bereich von 25 Tesla absolut konstant.“

Loidls Mitarbeiter Dr. Vladimir Tsurkan ergänzt: „Ein derartiges Magnetisierungsplateau ist äußerst ungewöhnlich, und theoretisch wird vorhergesagt, dass in den daran angrenzenden Phasen Supersolidität vorliegt. Diese Phasen haben wir in der vorliegenden Arbeit nun identifiziert und charakterisiert. Mit dem Ergebnis unserer Untersuchungen an der Mangan-Chrom-Verbindung haben wir jetzt also ein Indiz dafür, dass magnetische Systeme unter extremen Temperatur-, Druck- oder Magnetfeld-Bedingungen als Quanten-Gittermodelle beschrieben werden können. Sie präsentieren sich damit als äußerst interessante Kandidaten zur Realisierung kohärenter Quantenphänomene.“


Originalpublikation:

V. Tsurkan, S. Zherlitsyn, L. Prodan, V. Felea, P.T. Cong, Y. Skourski, Zhe Wang, J. Deisenhofer, H.-A. Krug von Nidda, J. Wosnitza, and A. Loidl: Ultra-robust high-field magnetization plateau and supersolidity in bond-frustrated MnCr2S4 - Science Advances 3:e1601982 (2017)

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Alois Loidl
Lehrstuhl für Experimentalphysik V/EKM
Universität Augsburg
D-86135 Augsburg
Telefon 0821/598-3600
alois.loidl@physik.uni-augsburg.de

Weitere Informationen:

http://advances.sciencemag.org/content/3/3/e1601982

Klaus P. Prem | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-augsburg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Schnell wachsende Galaxien könnten kosmisches Rätsel lösen – zeigen früheste Verschmelzung
26.05.2017 | Max-Planck-Institut für Astronomie

nachricht 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | 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: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften