Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Spinone - eingeschlossen wie Quarks

30.11.2009
Phänomen aus der Teilchenphysik erstmals in kondensierter Materie nachgewiesen

Der Begriff "Confinement" (räumlicher Einschluss) ist für die moderne Physik von zentraler Bedeutung. Er besagt, dass bestimmte Teilchen nicht isoliert vorkommen. Ganz offensichtlich ist dieses Bauprinzip am Beispiel der Quarks zu erkennen, den Elementarteilchen, aus denen die Protonen und Neutronen bestehen.

Prof. Bella Lake vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat nun zusammen mit einer Gruppe internationaler Wissenschaftler im Experiment nachgewiesen, dass das Prinzip des Confinement auch in kondensierter Materie, also in Feststoffen existiert.

Dem Confinement liegt die Theorie der starken Wechselwirkung zugrunde. Danach sind die Teilchen, zum Beispiel Quarks, durch eine Kraft aneinander gebunden, deren Stärke wächst, je weiter die Teilchen voneinander entfernt sind, also je mehr man versucht, sie zu trennen. Irgendwann wird die aufgewendete Energie so groß, dass sie zur Paarbildung ausreicht. Dabei entsteht ein Quark-Antiquark-Paar.

In den 1990er Jahren hat ein Team um Prof. Alexei Tsvelik vom Brookhaven National Laboratory (USA) eine Theorie entwickelt, nach der ein analoger "Confinement Prozess" auch in Festkörpern existieren müsste. Die Voraussetzungen dafür hat Tsvelik in so genannten Spin-Leitern gesehen. Bella Lake und Kollegen haben diese Theorie nun erstmals im Experiment bestätigt. Sie berichten darüber in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Physics.

In dem untersuchten Kristall besteht die Spin-Leiter aus Kupferoxid-Molekülen, die zu einer Kette aufgereiht sind. Aufgrund einer starken elektronischen Wechselwirkung bilden zwei solcher Ketten die "Beine" der Leiter. Das Besondere an den einzelnen Ketten ist, dass sich die Elektronen im Zusammenspiel anders verhalten als einzelne Elektronen. Normalerweise zeichnen sich einzelne Elektronen jeweils durch ihre Elementarladung und ihren magnetischen Spin aus. In der Kette jedoch separieren sich die Eigenschaften Spin und Ladung voneinander. Bella Lake und ihre Kollegen konnten mithilfe von Neutronenstreu-Experimenten nachweisen, was genau passiert: Sobald zwei Kupferoxid-Ketten eine Spin-Leiter bilden, rekombinieren die separierten Spin-Teile in neuartiger Weise. Bella Lake: "Unsere Ergebnisse zeigen, dass die angeregten Spin-Ketten, so genannte Spinone, in ähnlicher Weise wie Quarks eingeschlossen und zusammengehalten werden." Auch hier wird - je mehr Energie man aufwendet - die zusammenhaltende Kraft immer stärker bis es schließlich zur Bildung von Spinon-Paaren kommt.

Prof. Alan Tennant, Leiter des Instituts "Komplexe Magnetische Materialien" am HZB, erläutert den Prozess: "Die Geometrie der Leiter spielt eine wesentliche Rolle: Spinone finden sich immer zu Paaren zusammen, und diese Paarbildung kostet Energie. Sobald sich also Spinone voneinander entfernen, steigt auch der Energiebetrag, der notwendig ist, um ein benachbartes Elektron zur Paarbildung anzuregen. Man kann sich das wie bei einem Gummiband vorstellen. Je weiter es auseinander geht, um so mehr Energie wird für den Zusammenhalt aufgewendet." Bella Lake betont die Parallele zur Teilchenphysik: "Diese starke Tendenz, die Spinone zur Paarbildung haben, ist vergleichbar mit den Kräften, die die Quarks zusammenhalten, sodass sie subatomare Teilchen - zum Beispiel Hadronen (zu denen die Protonen und Neutronen gehören) - bilden können."

Alexei Tsvelik, der die Theorie entwickelt hat, sagt zur Bedeutung des experimentellen Nachweises: "Wie Hadronen gebildet werden, können wir qualitativ sehr gut beschreiben. Jedoch sind viele quantitative Aspekte bis heute nicht verstanden. Zum Beispiel können wir theoretische Parameter nicht in Einklang bringen zu der im Experiment nachgewiesenen Masse von Hadronen. Dies ist einer der Gründe, warum Analogien zu Berechnungen und Experimenten in kondensierter Materie wichtig sind. Sie könnten Beispiele sein, anhand derer wir das Prinzip des Confinement besser beschreiben könnten."

Die Neutronen-Experimente haben die Wissenschaftler an magnetischen Kalzium-Kuprat- Kristallen durchgeführt, einer Kupferoxid-Verbindung. Sie wurde im Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden synthetisiert. Die Spin- und Kristallstruktur wurde aus Neutronendaten aufgeklärt, die am Instrument E5 des Forschungsreaktors BER II in Berlin gemessen wurden. Für weitere Neutronen-Experimente wurde eine spezielle Technik zur Untersuchung magnetischer Dynamiken benötigt, die am Rutherford Appleton Laboratory, UK, mit seiner gepulsten Neutronenquelle, ISIS, zur Verfügung stand.

Artikel in Nature Physics, DOI: 10.1038/NPHYS1462

Confinement of fractional quantum number particles in a condensed-matter system
Bella Lake, Alexei M. Tsvelik, Susanne Notbohm, D. Alan Tennant, Toby G. Perring, Manfred Reehuis, Chinnathambi Sekar, Gernot Krabbes and Bernd Büchner
Kontakt:
Prof. Bella Lake
Leiterin der Nachwuchsgruppe
Magnetismus und Supraleitung
Tel.: +49/30-8062-2058
bella.lake@helmholtz-berlin.de
Prof. Alan Tennant
Leiter des Instituts Komplexe
Magnetische Materialien
Tel.: +49/30-8062-2741
tennant@helmholtz-berlin.de
Pressestelle:
Dr. Ina Helms
Tel.: +49/30-8062-2034
ina.helms@helmholtz-berlin.de

Britta Heidrich | Helmholtz-Zentrum
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-berlin.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

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: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie