Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mainzer Physiker analysieren Entstehung von Defekten bei Phasenübergängen an Ionenkristallen

07.08.2013
Forschungsergebnisse sind relevant für ein Modell zur Entstehung von Strukturen der Materie wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall

Forschergruppen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig ist es in Kollaboration mit Wissenschaftlern der Universität Ulm und der Hebräischen Universität Jerusalem gelungen, die Entstehung von Defekten bei Phasenübergängen zweiter Ordnung in Ionenkristallen zu untersuchen.


Schematische Darstellung der verwendeten Ionenfalle. Die Ionen werden durch elektrische Felder zwischen den vergoldeten Elektroden festgehalten. Der Ionenkristall mit Defekt ist stark vergrößert dargestellt.
Abb./©: QUANTUM, JGU

Hierbei werden eindimensionale lineare Ketten von Ionen mit hoher Geschwindigkeit wie bei einer Ziehharmonika in eine zweidimensionale Zickzackstruktur gepresst. Bei diesem Übergang kann es zur Bildung von Defekten in der Kristallstruktur kommen.

Die Wahrscheinlichkeit der Bildung solcher Defekte hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der der Phasenübergang durchlaufen wird. Der der Entstehung dieser Defekte zugrunde liegende Kibble-Zurek-Mechanismus ist ein universelles physikalisches Gesetz und spielt auch in vielen anderen Systemen eine wichtige Rolle.

Auf ihm beruht unter anderem eine Theorie, durch die die Entstehung von Materie 10[HOCH][MINUS]30 Sekunden nach dem Urknall erklärt werden kann. Bei den Experimenten in Mainz wurde dieser Effekt mit einer bisher einmaligen Genauigkeit untersucht und analysiert.

Das Mainzer Forscherteam der Arbeitsgruppe Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM) am Institut für Physik der JGU hat 16 Ionen in einer Paul-Falle gefangen. Dort werden Ionen durch elektrische Felder auf sehr kleinem Raum festgehalten und ordnen sich wie Perlen auf einer Ketten an. Nun wird die Länge, auf der die Ionen gefangen sind, drastisch reduziert. Dadurch wird die Ionenkette zusammengedrückt und faltet sich in eine Zickzackstruktur.

Die Ionen können sich allerdings entweder in einem Zickzackmuster oder dem spiegelverkehrten Zackzickmuster anordnen. Nimmt die eine Hälfte der Ionenkette eine andere Struktur an als die andere Hälfte, treffen die zueinander spiegelverkehrten Muster in der Mitte zusammen. Da sich die beiden Muster nicht ohne Fehler verbinden lassen, liegt an dieser Stelle folglich ein Defekt in der Struktur des Kristalls vor.

Aufgrund der Form des Fallenpotentials wird der Phasenübergang als erstes in der Mitte der Ionenkette erreicht und breitet sich von hier zu den Enden des Kristalls hin aus. Ist diese Ausbreitung nun schneller als die Informationsgeschwindigkeit zwischen zwei benachbarten Ionen, so kann sich ein Ion nicht an der Struktur seiner Nachbarn orientieren und nimmt eine zufällige Anordnung ein. Daher hängt die Wahrscheinlichkeit zur Entstehung solcher Defekte stark von der Geschwindigkeit ab, mit der der Phasenübergang durchschritten wird.

In Ionenfallen kann diese Geschwindigkeit mit hoher Präzision kontrolliert und variiert werden, was den Forschern aus Mainz und Braunschweig ermöglicht hat, die Häufigkeit von Defekten in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Phasenüberganges zu messen. Das experimentelle Ergebnis bestätigt theoretische Vermutungen des Kibble-Zurek-Mechanismus auf zwei Prozent Genauigkeit.

Veröffentlichungen:
S. Ulm, J. Roßnagel, G. Jacob, C. Degünther, S.T. Dawkins, U.G. Poschinger, R. Nigmatullin, A. Retzker,
M.B. Plenio, F. Schmidt-Kaler, K. Singer
Observation of the Kibble–Zurek scaling law for defect formation in ion crystals
Nature Communications 4, 2290 (2013)
http://www.nature.com/ncomms/2013/130807/ncomms3290/full/ncomms3290.html
[arXiv:1302.5343]
K. Pyka, J. Keller, H. L. Partner, R. Nigmatullin, T. Burgermeister, D.-M. Meier, K. Kuhlmann, A. Retzker, M.B. Plenio, W.H. Zurek, A. del Campo, T.E. Mehlstäubler
Topological defect formation and spontaneous symmetry breaking in ion Coulomb crystals
Nature Communications 4, 2291 (2013)
http://www.nature.com/ncomms/2013/130807/ncomms3291/full/ncomms3291.html
[arXiv:1211.7005]
Abbildung:
www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_kibble-zurek-mechanismus.jpg
Schematische Darstellung der verwendeten Ionenfalle. Die Ionen werden durch elektrische Felder zwischen den vergoldeten Elektroden festgehalten. Der Ionenkristall mit Defekt ist stark vergrößert dargestellt.

Abb./©: QUANTUM, JGU

Weiterführende Links:

http://www.quantenbit.de
– Arbeitsgruppe "Kalte Ionen und Experimentelle Quanteninformation"
http://www.quantum.physik.uni-mainz.de
– Arbeitsgruppe QUANTUM
http://www.quantummetrology.de
– Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research
Weitere Informationen:
Dipl.-Phys. Stefan Ulm
Arbeitsgruppe "Quanten-, Atom- und Neutronenphysik" (QUANTUM)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
D 55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23671
Fax +49 6131 39-25179
E-Mail: ulmst@uni-mainz.de

Petra Giegerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.quantenbit.de/
http://www.uni-mainz.de/presse/57223.php

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht ALMA beginnt Beobachtung der Sonne
18.01.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Magnetische Kraft von einzelnen Antiprotonen mit höchster Genauigkeit bestimmt
18.01.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

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: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Im Focus: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

ALMA beginnt Beobachtung der Sonne

18.01.2017 | Physik Astronomie

Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

18.01.2017 | Architektur Bauwesen

Neues Forschungsspecial zu Meeren, Ozeanen und Gewässern

18.01.2017 | Geowissenschaften