Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker haben zum ersten Mal ein sogenanntes „Wirbel-Antiwirbel-Paar“ experimentell nachgewiesen

03.12.2010
Vor rund 40 Jahren haben Wissenschaftler die Bedeutung seiner Existenz erkannt. Jetzt haben Physiker zum ersten Mal ein sogenanntes „Wirbel-Antiwirbel-Paar“ experimentell nachgewiesen. Das Material dafür haben die Nano-Experten der Universität Würzburg geliefert.

Seltsame Zustände können Materialien annehmen, wenn die Umstände passend sind. Da werden Stromleiter unterhalb einer bestimmten Temperatur plötzlich zu Supraleitern – Strom fließt in ihnen ohne jeglichen Widerstand. Und Flüssigkeiten nehmen Eigenschaften an, die Physiker als Superfluidität bezeichnen. Ihr Kennzeichen: Die Flüssigkeit verliert jede innere Reibung, sie dringt reibungsfrei selbst durch engste Kapillaren.

Die physikalischen Effekte, die sich hinter diesen Zuständen verbergen, stammen aus dem Bereich der Quantenphysik: „Mikroskopische Anregungen spielen eine entscheidende Rolle für das Verständnis der makroskopischen physikalischen Eigenschaften dieser Form von Materie, die den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegt. Sie bilden die Grundlage für das Verständnis von Phänomenen wie beispielsweise Supraleitung und Superfluidität“, wie Sven Höfling erklärt.

Sven Höfling ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Technische Physik der Universität Würzburg. In enger Kooperation mit Physikern in Stanford (USA) und Tokio (Japan) ist es den Physikern der Universität Würzburg Andreas Löffler, Sven Höfling und Alfred Forchel jetzt gelungen, eine solche, lang gesuchte mikroskopische Anregung in einem zweidimensionalem Kondensat nachzuweisen: ein Wirbel-Antiwirbel-Paar.

Das Experiment

Ausgangspunkt der Beobachtung war eine „extrem hochqualitative Probe ohne Störungen“, wie Höfling erklärt. Hergestellt wurde diese Probe im Mikrostrukturlabor der Würzburger Uni. Höfling und seine Kollegen haben dafür zweidimensionale Halbleiterschichten in höchster Perfektion auf ein Trägersubstrat „aufgedampft“.

So genannte Exziton-Polaritonen haben die Wissenschaftler in dieser Probe genauer untersucht. Was diese sind? „Von einem Exziton sprechen Physiker, wenn sich ein Elektron mit einer Leerstelle paart, an die eigentlich auch ein Elektron gehörte“, erklärt Höfling. Die Zugabe von Photonen – also Licht – kann daraus dann ein Polariton machen. Exziton-Polaritonen sind aus Sicht des Physikers „Quasiteilchen, die durch die starke Kopplung von Kavitätsphotonen mit Exzitonen in einem Quantenfilm entstehen“. Diese Quasiteilchen besitzen eine sehr leichte Masse und stehen untereinander in Wechselwirkung.

Strudel im zweidimensionalen Raum

Außerdem können sie rotieren, vergleichbar einem Strudel in einer Badewanne, aus der das Wasser gerade abfließt. Zwei Drehrichtungen gibt es für solche Wirbel in zwei Dimensionen: mit dem Uhrzeiger oder entgegen. Unter normalen Bedingungen finden sich Wirbel und Anti-Wirbel wild durcheinander verteilt (siehe Abbildung links). Ein Zustand großer Unordnung also. Ein hochgeordneter Zustand ist jedoch zwingende Voraussetzung dafür, dass eine bestimmte Substanz superfluide Eigenschaften annimmt, dass also die Teilchen widerstandslos fließen können.

Und wie kommt nun Ordnung in das System? „Beim Unterschreiten einer kritischen Temperatur bilden sich aus diesen freien Wirbeln spontan Wirbel-Antiwirbel-Paare, deren Gesamtdrehsinn durch den unterschiedlichen Drehsinn der einzelnen Wirbel aufgehoben wird“, erklärt Höfling (siehe Abbildung rechts). Dieser Effekt führe zu einer Stabilisierung der Ordnung. Salopp formuliert könnte man sagen: Auch wenn im Kleinen lokal Unordnungen existieren, herrscht im Großen und Ganzen doch eine Ordnung.

Die Bedeutung der Entdeckung

„Physikalische Grundlagenforschung“: So beschreibt Sven Höfling das Forschungsergebnis, über das die Fachzeitschrift Nature Physics berichtet hat. Das Experiment zeige die Wichtigkeit topologischer Ordnung und Phänomene in der Natur auf und habe weitreichende Bedeutung für Studien von Quantenphasenübergängen. Ein direkter praktischer Nutzen sei daraus derzeit nicht ableitbar, aber der Nachweis der Existenz eines Wirbel-Antiwirbel-Paares sei ein wichtiges Indiz für die Bestätigung der Theorie der superfluiden Phase in zweidimensionalen Systemen. Während das beobachtete einzelne Paar im Experiment noch durch einen Laser auf das Kondensat aufgeprägt wurde, deuten neueste Ergebnisse sogar auf das spontane Auftreten von mehreren Wirbel-Antiwirbel-Paaren und der damit einhergehenden superfluiden Phase im Kondensat hin.

“Single vortex–antivortex pair in an exciton-polariton condensate”, Georgios Roumpos, Michael D. Fraser, Andreas Löffler, Sven Höfling, Alfred Forchel und Yoshihisa Yamamoto, Nature Physics, doi:10.1038/NPHYS1841

Kontakt
Sven Höfling, T (0931) 31-83613, sven.hoefling@physik.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik 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

nachricht Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft
24.05.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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: 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....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

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

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten