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Physik Relativitätstheorie |
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| Einstein
und seine Theorien |
| Einsteins
Ideen nach 80 Jahren experimentell verifiziert |
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Albert
Einstein, bekannt als Vater der Relativitätstheorie, hat einige bahnbrechende
Erkenntnisse für die moderne Physik geleistet.
So hat er zusammen
mit dem indischen Physiker Satyendra Nath Bose postuliert, dass bei
tiefen Temperaturen markante Unterschiede in den Eigenschaften der Materie
zu erwarten sind, wenn deren Bausteine, d.h. Atome oder Elektronen, ihre
Individualität verlieren und sich zu einem einheitlichen, grösseren
Komplex vereinen.
Forscher des Paul Scherrer Instituts, der ETH Zürich
und der Universität Bern haben kürzlich diesen Komplex, das so
genannte Bose-Einstein-Kondensat,
erstmals für ein magnetisches System nachgewiesen, nämlich für
die Verbindung Thallium-Kupfer-Trichlorid.
| Magnetischer
Zustand der Materie |
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| Bose-Einstein-Kondensat |
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| Viele
der von uns verwendeten Materialien haben magnetische Eigenschaften. Der
Magnetismus kommt dabei dadurch zustande, dass sich ein Teil der Elektronen
des Materials quasi als Mini-Magnete geordnet ausrichtet und so im Material
ein magnetisches Moment aufbaut. Aus der Forschung resultieren ständig
neue magnetische Materialien mit verbesserten Eigenschaften für technische
Anwendungen. Besonders intensiv ist heute die interdisziplinäre Forschung
von Physikern und Chemikern auf dem Gebiet der molekularen Magnete. |
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Dazu
gehört Thallium-Kupfer-Trichlorid. In dieser Verbindung sind
die magnetisch aktiven Kupferatome paarweise angeordnet und untereinander
mit antiparalleler Ausrichtung der magnetischen Momente gekoppelt.
Diese
Kopplung führt dazu, dass diese Verbindung natürlich nicht magnetisch
ist, aber beim Anlegen eines äusseren Magnetfeldes eine ungewöhnliche
Art magnetischer Ordnung einsetzt. Diesen Befund kann man mit der konventionellen
Magnetismustheorie nicht erklären, wohl aber mit einem theoretischen
Ansatz basierend auf dem Phänomen der Bose-Einstein-Kondensation.
Bose-Einstein-Kondensat
in magnetischer Verbindung nachgewiesen
Forschende
am Laboratorium für Neutronenstreuung der ETH Zürich und des
Paul Scherrer Instituts (PSI) sowie am Chemie-Departement der Universität
Bern haben nun mittels Neutronenstreuexperimenten umfangreiche Untersuchungen
der Verbindung Thallium-Kupfer-Trichlorid durchgeführt.
Dabei
zeigte sich, dass beim Anlegen eines äusseren Magnetfelds der Charakter
des energetisch tiefsten Anregungsastes ändert und eine lineare Beziehung
zwischen Impuls und Energie aufweist. Diese war theoretisch für die
Bose-Einstein-Kondensation vorhergesagt worden.
Dieser erstmalige experimentelle
Nachweis der Bose-Einstein-Kondensation in einer magnetischen Verbindung,
wie er in der Ausgabe vom 1. Mai 2003 des Wissenschaftsmagazins«Nature»
beschrieben wird, ist ein weiterer Meilenstein eines in den Anfängen
nicht voll erkannten, aber äusserst wichtigen physikalischen Phänomens.
Bose-Einstein-Kondensation
- wichtiges physikalisches Phänomen
Die
Bedeutung der Bose-Einstein-Kondensation wurde in Fachkreisen lange
nicht erkannt und eher als theoretische übung eingestuft. Erst mit
der Entdeckung der Supraflüssigkeit in Helium-4 wurde die Fachwelt
auf die Bose-Einstein-Kondensation aufmerksam, welche das viskositätsfreie
Verhalten von flüssigem Helium-4 unterhalb einer Temperatur von 2,17
Kelvin erklärte.
1996 wurde der Physik-Nobelpreis an David M.
Lee, Douglas D. Osheroff und Robert C. Richardson für die Entdeckung
der Supraflüssigkeit in Helium-3 vergeben.
Die Bose-Einstein-Kondensation
ist auch die Basis für das Verständnis der Supraleitung,
die in der Theorie von John Bardeen, Leon N. Cooper und Robert Schrieffer
(Physik-Nobelpreis 1972) auf der durch Gitterschwingungen induzierten Paarung
von Elektronen beruht.
Erst in den letzten Jahren haben Steven Chu, Claude
Cohen und William D. Phillips (Physik-Nobelpreis 1997) Methoden entwickelt,
einzelne Atome auf tiefste Temperaturen abzukühlen, mittels Laserlicht
einzufangen und damit - in Koexistenz mit gewöhnlichen Atomen - eine
Art Superatome herzustellen, deren aussergewöhnliche Eigenschaften
auf Grund intensiver Untersuchungen von Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle
und Carl E. Wieman (Physik-Nobelpreis 2001) ebenfalls auf der Bose-Einstein-Kondensation
beruhen.
| Kernphysiker
nutzen Einsteins Ideen |
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| Neutronenstreuexperimente
zum Nachweis der Bose-Einstein-Kondensation? |
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Die
Neutronenstreuung zeichnet sich unter allen experimentellen Techniken dadurch
aus, dass sie direkte Informationen über die Struktur und Dynamik
der untersuchten Materialien liefert. In magnetischen Materialien interessiert
insbesondere die Dynamik der atomaren magnetischen Momente - Spins genannt
-, die in korrelierter Art um ihre Gleichgewichtslage rotieren. Man nennt
diesen magnetischen Bewegungszustand eine Spinwelle oder allgemeiner eine
magnetische Anregung, die physikalisch durch eine wohl definierte Beziehung
zwischen Energie und Impuls beschrieben werden kann.
Umfangreiche Untersuchungen
dieser Anregungen in der Verbindung Thallium-Kupfer-Trichlorid wurden mittels
Streuexperimenten an den Neutronenquellen des PSI, des ILL Grenoble und
des HMI Berlin durchgeführt, wobei die beobachteten Anregungen mit
den übergängen aus dem Singulett-Grundzustand in die drei energetisch
angeregten Triplett-Zustände identifiziert werden können.
Die
Experimente im Normalzustand, d.h. unterhalb der kritischen Feldstärke
von 6 Tesla, ergaben eine quadratische Beziehung zwischen Impuls und
Energie, in übereinstimmung mit der konventionellen Theorie des Magnetismus.
Beim Erreichen des quantenkritischen Punktes änderte sich jedoch der
Charakter des energetisch tiefsten Anregungsastes abrupt und zeigte eine
lineare Beziehung zwischen Impuls und Energie, wie sie theoretisch für
die Bose-Einstein-Kondensation vorhergesagt worden war, während
die zwei höher liegenden äste ihren quadratischen Charakter beibehielten.
Eine derartige Koexistenz von magnetischen Anregungen mit unterschiedlichem
Charakter ist aussergewöhnlich; sie beweist die partielle Bose-Einstein-Kondensation der angeregten Triplett-Zustände, die zu einem bisher nicht
bekannten magnetischen Zustand der Materie führt und die ungewöhnlichen
magnetischen Eigenschaften der Verbindung Thallium-Kupfer-Trichlorid erklärt.n
Zusammenstösse bei noch höherer Energie möglich und, so
hoffen die Forscher, dadurch ganz neue Teilchen erzeugt.
| Quelle:
Text Paul Scherrer Institut (PSI) und Institut für Energietechnik, ETH
Zürich, Juni 2005 |
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Forschung
am PSI: Synchrotron |
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