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 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