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 Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie
06.12.2016 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Neue Perspektiven durch gespiegelte Systeme
05.12.2016 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

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: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weiterbildung zu statistischen Methoden in der Versuchsplanung und -auswertung

06.12.2016 | Seminare Workshops

Bund fördert Entwicklung sicherer Schnellladetechnik für Hochleistungsbatterien mit 2,5 Millionen

06.12.2016 | Förderungen Preise

Innovationen für eine nachhaltige Forstwirtschaft

06.12.2016 | Agrar- Forstwissenschaften