Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantensimulation: Magnetismus besser verstehen

20.11.2015

Heidelberger Physiker imitieren mit ultrakalten Atomen das Verhalten von Elektronen in einem Festkörper

Einen neuen Ansatz zur Erforschung des Phänomens Magnetismus haben Wissenschaftler der Universität Heidelberg entwickelt. Mithilfe von ultrakalten Atomen nahe dem absoluten Nullpunkt haben sie ein Modell präpariert, mit dem das Verhalten von Elektronen in einem Festkörper simuliert und somit magnetische Eigenschaften untersucht werden können.


Atome (dargestellt in grün und blau) sind in einer Falle aus Laserlicht (rot) gefangen, in welcher sie sich nur entlang einer Raumrichtung bewegen können. Die Atome können entweder nach oben (grün), oder nach unten (blau) ausgerichtet sein, ähnlich der Nadel in einem Kompass. Wenn die Atome nicht miteinander wechselwirken, können sie sich frei in der Falle bewegen (oberes Bild), dabei ist keine Ordnung zu erkennen. Bei starker Abstoßung zwischen den Atomen (unteres Bild), ordnen sie sich selbstständig in der Falle an und zeigen abwechselnd noch oben und nach unten.

Die Erkenntnisse der Forscher um Prof. Dr. Selim Jochim vom Physikalischen Institut sollen zu einem besseren Verständnis fundamentaler Prozesse in Festkörpern beitragen und damit langfristig die Entwicklung neuartiger Materialien ermöglichen. Die Forschungsergebnisse dieser Quantensimulation, die gemeinsam mit Physikern aus Hannover und Lund (Schweden) gewonnen wurden, sind in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ erschienen.

Magnetismus ist bereits seit mehr als 2.000 Jahren bekannt und wurde schon früh etwa für die Entwicklung des Kompass’ genutzt, dessen Nadeln sich am Magnetfeld der Erde ausrichten. Trotzdem konnten die mikroskopischen Ursachen von Magnetismus erst nach der Entwicklung der Quantenmechanik zu Beginn des 20. Jahrhunderts verstanden werden.

Zu den wichtigsten Erkenntnissen gehörte, dass Elektronen sich in einem Festkörper wie winzige Kompassnadeln verhalten, die sich an einem äußeren Magnetfeld ausrichten und sich außerdem gegenseitig beeinflussen.

Die magnetischen Eigenschaften eines Festkörpers hängen davon ab, wie sich in ihnen benachbarte Elektronen relativ zueinander ausrichten. Bei ferromagnetischen Werkstoffen wie zum Beispiel Eisen zeigen alle Elektronen in die gleiche Richtung. Beim sogenannten Antiferromagnetismus zeigen benachbarte Elektronen in jeweils entgegengesetzte Richtungen.

Für ihre Quantensimulation haben die Heidelberger Physiker nur sehr wenige, nämlich maximal vier Atome verwendet. „Das exakte Präparieren einer so kleinen Anzahl an Atomen ist eine große technische Herausforderung. Es erlaubt uns jedoch, den Zustand der Atome sehr präzise zu kontrollieren“, erläutert Simon Murmann, der der Arbeitsgruppe von Prof. Jochim angehört und sich in seiner gerade abgeschlossenen Doktorarbeit mit dieser Thematik befasst hat.

Die Atome befinden sich dabei in einer Falle aus Laserlicht, die nur die Bewegung in eine Raumrichtung erlaubt. Sie unterliegen ähnlichen fundamentalen Gesetzmäßigkeiten wie Elektronen in einem Festkörper, jedoch können die Physiker die Wechselwirkung zwischen den Atomen präzise kontrollieren. „Anfänglich besteht keine Wechselwirkung zwischen den Atomen.

In diesem Zustand können sie sich ohne Ordnung in der Falle frei bewegen. Wenn wir jedoch eine größere Abstoßung zwischen den Atomen einstellen, kommen die Atome nicht mehr aneinander vorbei und ordnen sich in einer Kette an. In dieser Kette zeigen die Atome immer abwechselnd nach oben und nach unten. Somit wird ein antiferromagnetischer Zustand herbeigeführt“, sagt der Heidelberger Wissenschaftler.

Diese Beobachtung ist für die Forscher von besonderem Interesse, weil Antiferromagnetismus mit physikalischen Phänomenen in Verbindung gebracht wird, die weitreichende Anwendungen ermöglichen könnten.

„So wurde Supraleitung, also der verlustfreie Transport von elektrischen Strömen, bei vergleichsweise hohen Temperaturen von lediglich minus 135 Grad Celsius in antiferromagnetischen Materialien beobachtet“, betont Selim Jochim. „Mit unseren Experimenten wollen wir zum Verständnis fundamentaler Prozesse in Festkörpern beitragen. Eine Vision in diesem Zusammenhang ist die Entwicklung neuer Materialien, die auch bei Raumtemperatur supraleitend bleiben.“

Für ihre Veröffentlichung in den „Physical Review Letters“ erhielten die Heidelberger Wissenschaftler die begehrte „Editors‘ Suggestion“, die Auszeichnung als Empfehlung der Redaktion.

Originalpublikation:
S. Murmann, F. Deuretzbacher, G. Zürn, J. Bjerlin, S. M. Reimann, L. Santos, T. Lompe, S. Jochim: Antiferromagnetic Heisenberg Spin Chain of a Few Cold Atoms in a One-Dimensional Trap. Physical Review Letters (published online on 19 November 2015), doi: 10.1103/PhysRevLett.115.215301

Kontakt:
Prof. Dr. Selim Jochim
Physikalisches Institut
Zentrum für Quantendynamik
Tel. ++49 6221 54-19472
jochim@uni-heidelberg.de

Kommunikation und Marketing
Pressestelle
Grabengasse 1
69117 Heidelberg
Tel. +49 6221 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Weitere Informationen:

http://ultracold.physi.uni-heidelberg.de

Marietta Fuhrmann-Koch | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Physiker entdecken neuen Transportmechanismus von Nanopartikeln durch Zellmembranen
14.12.2018 | Universität des Saarlandes

nachricht Tanz mit dem Feind
12.12.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: Data use draining your battery? Tiny device to speed up memory while also saving power

The more objects we make "smart," from watches to entire buildings, the greater the need for these devices to store and retrieve massive amounts of data quickly without consuming too much power.

Millions of new memory cells could be part of a computer chip and provide that speed and energy savings, thanks to the discovery of a previously unobserved...

Im Focus: Quantenkryptographie ist bereit für das Netz

Wiener Quantenforscher der ÖAW realisierten in Zusammenarbeit mit dem AIT erstmals ein quantenphysikalisch verschlüsseltes Netzwerk zwischen vier aktiven Teilnehmern. Diesen wissenschaftlichen Durchbruch würdigt das Fachjournal „Nature“ nun mit einer Cover-Story.

Alice und Bob bekommen Gesellschaft: Bisher fand quantenkryptographisch verschlüsselte Kommunikation primär zwischen zwei aktiven Teilnehmern, zumeist Alice...

Im Focus: An energy-efficient way to stay warm: Sew high-tech heating patches to your clothes

Personal patches could reduce energy waste in buildings, Rutgers-led study says

What if, instead of turning up the thermostat, you could warm up with high-tech, flexible patches sewn into your clothes - while significantly reducing your...

Im Focus: Tödliche Kombination: Medikamenten-Cocktail dreht Krebszellen den Saft ab

Zusammen mit einem Blutdrucksenker hemmt ein häufig verwendetes Diabetes-Medikament gezielt das Krebswachstum – dies haben Forschende am Biozentrum der Universität Basel vor zwei Jahren entdeckt. In einer Folgestudie, die kürzlich in «Cell Reports» veröffentlicht wurde, berichten die Wissenschaftler nun, dass dieser Medikamenten-Cocktail die Energieversorgung von Krebszellen kappt und sie dadurch abtötet.

Das oft verschriebene Diabetes-Medikament Metformin senkt nicht nur den Blutzuckerspiegel, sondern hat auch eine krebshemmende Wirkung. Jedoch ist die gängige...

Im Focus: Lethal combination: Drug cocktail turns off the juice to cancer cells

A widely used diabetes medication combined with an antihypertensive drug specifically inhibits tumor growth – this was discovered by researchers from the University of Basel’s Biozentrum two years ago. In a follow-up study, recently published in “Cell Reports”, the scientists report that this drug cocktail induces cancer cell death by switching off their energy supply.

The widely used anti-diabetes drug metformin not only reduces blood sugar but also has an anti-cancer effect. However, the metformin dose commonly used in the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Tagung 2019 in Essen: LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

14.12.2018 | Veranstaltungen

Pro und Contra in der urologischen Onkologie

14.12.2018 | Veranstaltungen

Konferenz zu Usability und künstlicher Intelligenz an der Universität Mannheim

13.12.2018 | Veranstaltungen

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

Tagung 2019 in Essen: LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

14.12.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Rittal heizt ein in Sachen Umweltschutz - Rittal Lackieranlage sorgt für warme Verwaltungsbüros

14.12.2018 | Unternehmensmeldung

Krankheiten entstehen, wenn das Netzwerk von regulatorischen Autoantikörpern aus der Balance gerät

14.12.2018 | Medizin Gesundheit

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