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Mit Hochdruck weltweit führend in der Magnetresonanz

03.07.2015

Physiker der Universität Leipzig haben einen Durchbruch bei der Kernspinresonanz (NMR) unter extremen Drücken erzielt. Den bisherigen Weltrekordwert, erzielt von Physikern der Harvard University (128.000 Atmosphären), konnten die Leipziger Forscher auf fast das Dreifache steigern. "Wir können jetzt Materialien mit den so wichtigen Methoden der Magnetresonanz bei Drücken bis über 300 Kilobar, also dem 300.000-fachen des normalen Luftdrucks analysieren", sagt der Leipziger Physik-Professor Jürgen Haase. "Unser Labor ist derzeit das führende NMR-Hochdrucklabor der Welt."

Erste Ergebnisse bei Drücken von bis zu 200.000 Atmosphären haben die Leipziger Physiker aktuell in der Fachzeitschrift "Journal of Magnetic Resonance" veröffentlicht. Zwischenzeitlich ist es dem Doktoranden Thomas Meier aus der Gruppe um Professor Haase gelungen, den Druck um weitere 150 Prozent zu erhöhen und erste NMR-Spektren aufzunehmen.


Das Herzstück für die Hochdruckzelle: der Stempel. Unter einem kleinen Stück Metall befindet sich ein Diamantstempel. Der Druck wird mithilfe des entgegengesetzten Diamanten (der sic

Foto: Universität Leipzig/Christian Hüller


Arbeiten mit Hochdruck: Thomas Meier hält eine Druckzelle unter einer Hydraulikpresse fest und belädt sie.

Foto: Universität Leipzig/Christian Hüller

Unter solch hohen Drücken verhalten sich scheinbar gut bekannte Materialien oft ganz anders als gedacht. "Nicht leitfähige Systeme werden zu Metallen, Metalle werden zu Isolatoren, viele Substanzen werden sogar supraleitend", berichtet Haase. "Auch für das Verständnis des Inneren unserer Erde sind entsprechende Untersuchungen hilfreich, weil hier ähnliche Drücke herrschen, die eben auch Festkörper stark beeinflussen."

Weltweit gebe es eine Reihe von Hochdruck-Zentren, darunter führende deutsche Labors in Bayreuth und Mainz, die Materie unter hohen Drücken untersuchen. "Allerdings ist die Zahl der Untersuchungsmethoden unter solch extremen Bedingungen stark eingeschränkt, und die Kernspinresonanz galt über viele Jahrzehnte hinweg als extrem schwierig bis unmöglich", sagte Haase.

Auf Grund des riesigen Potenzials der Kernspinresonanz haben dennoch Forscher-Gruppen vor allem in den USA immer wieder NMR-Experimente unter hohen Drücken vorgenommen.

Basierend auf einer Zusammenarbeit mit dem Cavendish Laboratory der University of Cambridge in England in 2009 offenbarten sich den NMR-Physikern in Leipzig neue Wege, NMR unter hohen Drücken zu realisieren. Darauf folgende mehrjährige Entwicklungsarbeiten in der Leipziger Physik und ihrer Werkstatt haben sich nun ausgezahlt.

"Wir haben ein neues Fenster mit Einblick in die moderne Festkörperphysik öffnen können", sagt Thomas Meier, der die Entwicklungen maßgeblich voran brachte. "Das wird die Hochdruck-Physik revolutionieren, weil die NMR einzigartige Informationen über chemische und elektronische Strukturen liefert. Jetzt können wir zum Beispiel sehen, wenn Materialien plötzlich leitend oder supraleitend werden."

Fachpublikation im Journal of Magnetic Resonance:
High-sensitivity NMR beyond 200,000 atmospheres of pressure
doi: 10.1016/j.jmr.2015.05.007

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Jürgen Haase
Fakultät für Physik und Geowissenschaften
Telefon: +49 341 97-32601
E-Mail: j.haase@physik.uni-leipzig.de

Thomas Meier
Fakultät für Physik und Geowissenschaften
Telefon: +49 341 97-32609
E-Mail: thomas.meier@physik.uni-leipzig.de

Weitere Informationen:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1090780715001159

Carsten Heckmann | Universität Leipzig

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