Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenphysik lässt Nanomagnete stabil schweben

27.10.2017

Quanteneigenschaften lassen Nanomagnete über einem statischen Magnetfeld schweben, obwohl das laut dem klassischen Earnshaw-Theorem eigentlich unmöglich ist. Das zeigen Innsbrucker Quantenphysiker um Oriol Romero-Isart in zwei aktuellen Arbeiten. Verantwortlich dafür ist der Drehimpuls von Elektronen, aus dem auch der Magnetismus entspringt.

Mit Dauermagneten kann man keine stabil schwebende Konstruktion errichten, das hat der Brite Samuel Earnshaw bereits 1842 nachgewiesen. Lässt man einen Magneten über einem anderen schweben, genügt die kleinste Störung, um ihn abstürzen zu lassen.


Cosimo Rusconi (li.) und Oriol Romero-Isart (re.) lassen einen Magnetkreisel scheinbar schweben, um ihre Arbeiten zu Nanomagneten zu veranschaulichen.

IQOQI Innsbruck/M.R.Knabl

Der Magnetkreisel, ein beliebtes Spielzeug, umgeht dieses Earnshaw-Theorem. Bei einer Störung richtet die Kreiselbewegung ihn wieder so aus, dass die Stabilität erhalten bleibt. Nun haben Physiker um Oriol Romero-Isart vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften gemeinsam mit Forschern am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching erstmals gezeigt, dass Nanomagneten auch in Ruhe über einem statischen Magnetfeld schweben können.

„In der Quantenwelt können winzige Nanoteilchen ruhend über einem Magnetfeld schweben“, sagt Oriol Romero-Isart. „Verantwortlich dafür sind Quanteneigenschaften, die in der makroskopischen Welt nicht wahrnehmbar sind, bei Nanoobjekten aber stark hervortreten.“

Stabilität durch gyromagnetischen Effekt

Albert Einstein hat gemeinsam mit dem niederländischen Physiker Wander Johannes de Haas 1915 nachgewiesen, dass der Magnetismus auf ein quantenmechanisches Phänomen zurückgeht, nämlich den Drehimpuls von Elektronen, den sogenannten Elektronenspin. Die Physiker um Oriol Romero-Isart zeigen nun, dass dieser Elektronenspin es einem Nanomagneten erlaubt, im Ruhezustand über einem statischen Magnetfeld zu schweben, obwohl das nach dem klassischen Earnshaw-Theorem eigentlich unmöglich ist.

Die Theoretiker haben ausführliche Stabilitätsanalysen abhängig vom Radius des Objekts und der Stärke des externen Magnetfelds gemacht. Diese zeigen, dass in Abwesenheit von Reibungsverlusten (Dissipation) sich ein Gleichgewichtszustand einstellt. Verantwortlich dafür ist der gyromagnetische Effekt: bei Änderung der Magnetisierung tritt wegen der Kopplung der magnetischen Momente mit dem Spin der Elektronen ein mechanisches Drehmoment auf.

„Dadurch wird der magnetische Schwebezustand des Nanomagneten stabilisiert“, erklärt Erstautor Cosimo Rusconi. Darüber hinaus konnten die Forscher auch zeigen, dass die Freiheitsgrade des schwebenden Nanomagnets miteinander quantenverschränkt sind.

Neues Forschungsfeld

Oriol Romero-Isart und sein Team sind optimistisch, dass diese schwebenden Nanomagnete bald auch im Labor beobachtet werden können. Sie machen Vorschläge, wie dies unter realistischen Bedingungen gelingen könnte. Schwebende Nanomagnete bieten ein völlig neues Experimentierfeld für die Physiker. Unter instabilen Verhältnissen könnten sie zum Beispiel exotische Quantenphänomene offenbaren. Auch könnten mehrere Nanomagnete miteinander gekoppelt und die Ausbreitung der Magnetisierung im Labor simuliert und studiert werden. Technisch sind schwebende Nanomagnete zum Beispiel auch als hochsensible Sensoren interessant.

Finanziell unterstützt wurden die Forschung vom österreichischen Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft und dem Europäischen Forschungsrat ERC.


Publikationen:
o) Quantum Spin Stabilized Magnetic Levitation. Cosimo C. Rusconi, Vera Pöchhacker, Katja Kustura, J. Ignacio Cirac, Oriol Romero-Isart. Phys. Rev. Lett. 119, 167202 DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.167202
o) Linear Stability Analysis of a Levitated Nanomagnet in a Static Magnetic Field: Quantum Spin Stabilized Magnetic Levitation. Cosimo C. Rusconi, Vera Pöchhacker, J. Ignacio Cirac, Oriol Romero-Isart. Phys. Rev. B 96, 134419 DOI: 10.1103/PhysRevB.96.134419

Rückfragehinweis:
Oriol Romero-Isart
Institut für Theoretische Physik
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507 4730
E-Mail: oriol.romero-isart@uibk.ac.at

Christian Flatz
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507 32022
Mobil: +43 676 872532022
E-Mail: christian.flatz@uibk.ac.at

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.167202 - Quantum Spin Stabilized Magnetic Levitation. Cosimo C. Rusconi, et.al. Phys. Rev. Lett. 119, 167202
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.96.134419 - Linear Stability Analysis of a Levitated Nanomagnet in a Static Magnetic Field: Quantum Spin Stabilized Magnetic Levitation. Cosimo C. Rusconi, et.al. Phys. Rev. B 96, 13441
http://iqoqi.at/en/group-page-romero-isart - Quantum Nanophysics, Optics and Information Group

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Graphen auf dem Weg zur Supraleitung
12.11.2018 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Datensicherheit: Aufbruch in die Quantentechnologie
09.11.2018 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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: Graphen auf dem Weg zur Supraleitung

Doppelschichten aus Graphen haben eine Eigenschaft, die ihnen erlauben könnte, Strom völlig widerstandslos zu leiten. Dies zeigt nun eine Arbeit an BESSY II. Ein Team hat dafür die Bandstruktur dieser Proben mit extrem hoher Präzision ausgemessen und an einer überraschenden Stelle einen flachen Bereich entdeckt. Möglich wurde dies durch die extrem hohe Auflösung des ARPES-Instruments an BESSY II.

Aus reinem Kohlenstoff bestehen so unterschiedliche Materialien wie Diamant, Graphit oder Graphen. In Graphen bilden die Kohlenstoffatome ein zweidimensionales...

Im Focus: Datensicherheit: Aufbruch in die Quantentechnologie

Den Datenverkehr noch schneller und abhörsicher machen: Darauf zielt ein neues Verbundprojekt ab, an dem Physiker der Uni Würzburg beteiligt sind. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt mit 14,8 Millionen Euro.

Je stärker die Digitalisierung voranschreitet, umso mehr gewinnen Datensicherheit und sichere Kommunikation an Bedeutung. Für diese Ziele ist die...

Im Focus: A Leap Into Quantum Technology

Faster and secure data communication: This is the goal of a new joint project involving physicists from the University of Würzburg. The German Federal Ministry of Education and Research funds the project with 14.8 million euro.

In our digital world data security and secure communication are becoming more and more important. Quantum communication is a promising approach to achieve...

Im Focus: Research icebreaker Polarstern begins the Antarctic season

What does it look like below the ice shelf of the calved massive iceberg A68?

On Saturday, 10 November 2018, the research icebreaker Polarstern will leave its homeport of Bremerhaven, bound for Cape Town, South Africa.

Im Focus: Forschungsschiff Polarstern startet Antarktissaison

Wie sieht es unter dem Schelfeis des abgebrochenen Riesen-Eisbergs A68 aus?

Am Samstag, den 10. November 2018 verlässt das Forschungsschiff Polarstern seinen Heimathafen Bremerhaven Richtung Kapstadt, Südafrika.

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Wer rechnet schneller? Algorithmen und ihre gesellschaftliche Überwachung

12.11.2018 | Veranstaltungen

Profilierte Ausblicke auf die Mobilität von morgen

12.11.2018 | Veranstaltungen

Mehrwegbecher-System für Darmstadt: Prototyp-Präsentation am Freitag, 16. November, 11 Uhr

09.11.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Ein magnetisches Gedächtnis für den Computer

12.11.2018 | Energie und Elektrotechnik

Autonomes Parken wird erprobt

12.11.2018 | Informationstechnologie

Multicopter und Satelliten für den Rettungseinsatz

12.11.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics