Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantengas, Flüssigkeit und Kristall zugleich

02.02.2016

Physiker der Universität Stuttgart entdecken neuen Materiezustand

Wissenschaftlern um Prof. Tilman Pfau vom 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist es im Rahmen des Zentrums für Integrierte Quantenwissenschaft und -technologie IQST gelungen, die Eigenschaften von Gasen, Kristallen und Supraflüssigkeiten zu einem einzigen neuen Materiezustand zu verschmelzen. Darüber berichtet die Fachzeitschrift „Nature“ in ihrer Ausgabe vom 1. Februar 2016*.


Schattenrissaufnahme des Quanten-Ferrofluids im Experiment

Universität Stuttgart

In der Welt der Quantenmechanik ist alles anders. Weit unten auf der Längenskala bei wenigen Nanometern sind klassische Vorstellungen von Materie nicht mehr möglich. In diesem Längenbereich sind die Bausteine der Materie halb Welle, halb Teilchen und haben nur noch eine gewisse Wahrscheinlichkeit an einem bestimmten Ort zu sein.

Diese Effekte lassen sich in ultrakalten verdünnten Gasen beobachten. Hierfür werden Tausende bis Millionen Atome bis auf wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt auf etwa -273,15 Grad Celsius gekühlt. Bei solch eisigen Temperaturen sind die Atome einzeln nicht mehr unterscheidbar, sondern vereinen sich zu einer riesigen kollektiven Materiewelle. Dieser seltsame Zustand des so genannten Bose-Einstein-Kondensats verleiht dem Atomkollektiv erstaunliche Eigenschaften. Diese Materiewelle fließt als Quantenflüssigkeit praktisch ohne innere Reibung und wird deshalb Supraflüssigkeit genannt.

Forscher um Tilman Pfau am Zentrum für Integrierte Quantenwissenschaften IQST in Stuttgart ist es gelungen, eine solche Supraflüssigkeit aus Dysprosiumatomen zu erzeugen. Sie nennen es „Quanten-Ferrofluid“, denn die neu entdeckte Materie ist nicht nur suprafluid, sondern zeigt ähnlich wie das in der klassischen Welt bekannte Ferrofluid erstaunliche magnetische Eigenschaften.

Ferrofluid besteht aus winzigen Eisenpartikeln, die in Öl oder Wasser gelöst sind. Legt man ein starkes Magnetfeld senkrecht zur Ferrofluidoberfläche an, kommt es zur sogenannten Rosensweig-Instabilität. Die Oberfläche ist nicht mehr glatt wie bei üblichen Flüssigkeiten, sondern bildet regelmäßige Spitzen aus. Die Igelstruktur entsteht, da sich die Nord- und Südpole der einzelnen Magnetteilchen anziehen und es energetisch am günstigsten für sie ist, sich entlang der Feldlinien anzuordnen. Im Quanten-Ferrofluid übernimmt die Rolle der Eisenteilchen Dysprosium, das magnetischste Element im Periodensystem.
Auf dem Weg zu einem Superkristall?

Für die im renommierten Fachjournal „Nature“ beschriebenen Untersuchungen haben die Forscher Quanten-Ferrofluide aus 15.000 ultrakalten Dysprosiumatomen hergestellt. Ähnlich wie bei Ferrofluiden konnten sie geordnete Kristallstrukturen aus mikroskopisch kleinen Tröpfchen beobachten. Die Tröpfchen haben jeweils Ausmaße kleiner als 1 µm und ihre Existenz wurde nach dem bisherigen Kenntnisstand nicht für möglich gehalten.

Inzwischen vermuten die Forscher, dass Quantenfluktuationen, die durch die Heisenberg’sche Unschärferelation hervorgerufen werden, eine entscheidende Rolle für die Stabilität dieser Quantenmaterie spielen. Diese Quantenfluktuationen ermöglichen einen einzigartigen Materiezustand, in dem scheinbar gegensätzliche Eigenschaften von Gasen, Kristallen und Supraflüssigkeiten verbunden werden können. Diese Verknüpfung könnte ein erster Schritt zu einem sogenannten Suprakristall sein, ein räumlich geordneter Festkörper mit suprafluiden Eigenschaften.

*Originalpublikation: Observing the Rosensweig instability of a quantum ferrofluid, Holger Kadau, Matthias Schmitt, Matthias Wenzel, Clarissa Wink, Thomas Maier, Igor Ferrier-Barbut, Tilman Pfau, Nature vom 1. Februar 2016 http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature16485.html

Über das IQST: Das Zentrum für Integrierte Quantenwissenschaft und -technologie (Integrated Quantum Science and Technology, IQST) ist ein Verbund aus Forschern der Universitäten Stuttgart und Ulm sowie des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart. Ziel des Zentrums ist es, Synergien zwischen der Physik und den angrenzenden Natur- und Ingenieurwissenschaften zu fördern und die Quantenwissenschaft von den Grundlagen bis zu den technologischen Anwendungen zu vertreten.

Das 5. Physikalische Institut der Universität Stuttgart gehört dem IQST als Gründungsmitglied seit 2011 an. Die Wissenschaftler um Prof. Dr. Tilman Pfau untersuchen die Quanteneigenschaften von Atomen und versuchen, diese gezielt zu kontrollieren auf der Suche nach neuen Materiezuständen oder möglichen Anwendungen für die Quanteninformationstechnologie und Quantenoptik.

Kontakt: Prof. Dr. Tilman Pfau, Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-68025, E-Mail: t.pfau (at) physik.uni-stuttgart.de

Andrea Mayer-Grenu | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-stuttgart.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | 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: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise