Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Eckpfeiler der Physik muss ergänzt werden

Zufall hilft Forschern

03.05.2019

Petr Čermák / Karls-Universität Prag

Elektronen (grüne Wolke) und Gitterschwingungen (pinke Wellen) des Kristalls beeinflussen sich gegenseitig. Die Ceriumatome (gold) sind hauptsächlich für den Magnetismus im Kristall verantwortlich.

Atomkerne und Elektronen in Festkörpern beeinflussen sich gegenseitig in ihren Bewegungen – und das nicht nur in seltenen Ausnahmefällen, wie bisher angenommen. Das haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der Technischen Universität München (TUM) bei Messungen am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching herausgefunden. Die Entdeckung geht zurück auf einen Praktikumsversuch im Jahr 2015. Der Effekt könnte für die Datenverarbeitung oder zum verlustfreien Stromtransport genutzt werden.

Jahrelang hat die Jülicher Physikerin Dr. Astrid Schneidewind gemeinsam mit ihren Kollegen versucht, Abweichungen im Streumuster von Neutronen zu verstehen, die es eigentlich gar nicht geben dürfte. Am Ende stießen sie an die Grenzen eines über 90 Jahre alten Eckpfeilers der Physik: die Born-Oppenheimer-Näherung.

Die Annahme aus dem Jahr 1927 wird heute unter anderem standardmäßig genutzt, um die Berechnung von Mehrteilchen-Systemen zu vereinfachen. Die Näherung geht davon aus, dass die Bewegungen der Atomkerne und Elektronen in Festkörpern getrennt betrachtet werden können, weil sich die Teilchen sehr stark in ihrer Masse unterscheiden. Zum Vergleich: Wenn ein Elektron so groß wäre wie ein Sandkorn, dann besäße ein Atomkern, beispielsweise von Eisen, die Dimensionen eines Medizinballs – entsprechend langsamer und träger wäre er unterwegs.

Lange nur wenige Ausnahmen bekannt

Schon in den 1980er-Jahren fanden Forscher Materialien, für die diese Näherung nicht gilt. Bei denen also, um im Bild zu bleiben, das träge Treiben der Medizinbälle sehr wohl einen Einfluss auf die deutlich schneller herumwirbelnden Sandkörner hat.

"Bis jetzt ging man aber davon aus, dass es sich bei diesen Materialien um absolute Ausnahmen handelt, die sich gut erklären lassen", so Schneidewind. "Es sind Spezialfälle, bei denen Gitterschwingungen der Atomkerne, sogenannte Phononen, die gleichen Energiewerte aufweisen wie die möglichen Energieänderungen der Elektronen in der Hülle."

Zufällige Entdeckung

Bei der Verbindung mit der Bezeichnung CeAuAl3 jedoch fanden die Forscher etwas Überraschendes – unerwartete Energiezustände von Elektronen und Phononen. Die Entdeckung verdanken die Wissenschaftler etwas dem Glück: Schneidewind, zuständig für das Dreiachsenspektrometer PANDA am Garchinger Heinz Maier-Leibnitz-Zentrum, benötigte eine Probe für einen Praktikumsversuch mit Neutronen. Gleichzeitig war es ihrem Kollegen, TUM-Wissenschaftler Christian Franz, gelungen, zum ersten Mal einen großen Kristall dieser Verbindung zu züchten. Verschiedene Forscher hatten die Substanz in Pulverform schon untersucht, aber keine Auffälligkeiten festgestellt.

Motiviert durch Untersuchungen an ähnlichen Substanzen, doch ohne große Erwartungen ließ die Physikerin den Kristall kurzerhand für den Praktikumsversuch über Nacht in das PANDA-Spektrometer stellen. Umso größer war die Überraschung, als Schneidewinds Kollege Dr. Petr Čermák, damals Postdoktorand am Forschungszentrum Jülich und Co-Verantwortlicher an PANDA, mit den Studenten am nächsten Morgen auf die Messergebnisse blickte: Es waren Kopplungen zwischen den Bewegungen der Atomkerne und den Elektronen zu sehen, die es laut der Born-Oppenheimer-Näherung nicht geben dürfte. Umfangreiche Messungen des Teams bestätigten die ersten Ergebnisse: die Wechselwirkung zwischen Gitterschwingungen und Elektronen führt zu neuen Energiezuständen der Elektronen, obwohl nicht alle beteiligten Phononen und Elektronen auf demselben Energieniveau liegen, wie bei allen anderen Spezialfällen zuvor.

Anwendungen für Datenverarbeitung und Supraleitung

"Wir haben nun erstmals nachgewiesen, dass es solche Kopplungen zwischen den Elektronen und ihren Atomkernen in Festkörpern in sehr viel mehr Materialien geben muss als bisher angenommen“, sagt Christian Pfleiderer, Christian Pfleiderer, Professor für Topologie korrelierter Systeme an der TUM, der mit den Kollegen an der Deutung der Messergebnisse gearbeitet hat. „Gleichzeitig eröffnet dies eine große Breite von möglichen Formen elektronischer Ordnung und Funktionalitäten, die durch solche Kopplungen entstehen."

"Diese ungeahnte Kopplung zwischen Atomkern und -hülle eröffnet viele mögliche Anwendungen, unter anderem für die Datenverarbeitung", sagt Dr. Petr Čermák, jetzt Wissenschaftler an der Karls-Universität Prag. Auch für das Verständnis der Supraleitung versprechen die Materialien wichtig zu werden.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Atomkerne
  • Elektronen
  • Festkörperphysik
  • Neutronen
  • Born-Oppenheimer-Näherung
  • Phononen
Mehr über Forschungszentrum Jülich
  • News

    Neues Quantenpunkt-Mikroskop zeigt die elektrischen Potenziale einzelner Atome

    Ein Forscherteam aus Jülich hat in Kooperation mit der Universität Magdeburg eine neue Methode entwickelt, mit der sich die elektrischen Potenziale einer Probe atomgenau vermessen lassen. Mit etablierten Verfahren war es bisher kaum möglich, die elektrischen Potenziale, die sich in der unmi ... mehr

    Hightech-Werkstoff im Salzmantel

    MAX-Phasen gelten als Material der Zukunft, beispielsweise für Turbinen in Kraftwerken und Flugzeugen, Raumfahrtanwendungen oder medizinische Implantate. Ein neues Verfahren von Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich macht es nun erstmals möglich, die begehrte Werkstoffklasse im ind ... mehr

    Energiereiche Festkörperbatterie: Hohe Energiedichte mit Lithium-Anode und Hybridelektrolyt

    Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der Universität Münster haben eine neue Festkörperbatterie vorgestellt, die über eine Anode aus reinem Lithium verfügt. Lithium gilt als ideales Elektrodenmaterial, mit dem sich die höchsten Energiedichten erreichen lassen. Das Metall ist se ... mehr

  • Videos

    Zukunft ist unsere Aufgabe: Das Forschungszentrum Jülich

    Das Forschungszentrum Jülich betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung in den Bereichen Energie und Umwelt sowie Information und Gehirn. Es stellt sich drängenden Fragen der Gegenwart und entwickelt Schlüsseltechnologien für morgen. mehr

    Die (R)Evolution der Elektronenmikroskopie - So funktioniert PICO

    Das Elektronenmikroskop PICO erreicht eine Rekordauflösung von 50 Milliardstel Millimetern. Es ermöglicht Anwendern aus Wissenschaft und Industrie, atomare Strukturen in größtmöglicher Genauigkeit zu untersuchen und Fortschritte in Bereichen wie der Energieforschung oder den Informationstec ... mehr

  • Firmen

    Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich

    Forschungsförderung im Auftrage der Bundesministerien für Bildung und Forschung (BMBF), Wirtschaft (BMWA), Umwelt (BMU) sowie verschiedener Bundesländer. mehr

  • Forschungsinstitute

    Forschungszentrum Jülich GmbH

    Das Forschungszentrum Jülich betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung zur Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen in den Bereichen Gesundheit, Energie & Umwelt sowie Informationstechnologie. Kombiniert mit den beiden Schlüsselkompetenzen Physik und Supercomputing werden in Jül ... mehr

    Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich

    Erfolgreiche Wissenschaft braucht mehr als gute Forschung. Damit öffentliche Förderprogramme ihre Ziele erreichen, Industriepartner und Forschungseinrichtungen gewinnbringend zusammenarbeiten und Forscher über Fördermöglichkeiten in ihrem Arbeitsfeld gut informiert sind, ist Sachverstand im ... mehr

  • q&more Artikel

    Makromolekulare Umgebungen beeinflussen Proteine

    Eine intensive Wechselwirkung von Proteinen mit anderen Makromolekülen kann wichtige Eigenschaften von Proteinen wie z. B. die Translationsbeweglichkeit oder den Konformationszustand signifi kant verändern. mehr

    Koffein-Kick

    Koffein ist die weltweit am weitesten verbreitete psycho­aktive Substanz. Sie findet sich als Wirkstoff in Getränken wie Kaffee, Tee und sog. Energy Drinks. Koffein kann Vigilanz und Aufmerksamkeit erhöhen, Schläfrigkeit reduzieren und die kognitive Leistungsfähigkeit steigern. Seine neurob ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Jörg Fitter

    Jg. 1963, studierte Physik an der Universität Hamburg. Nach seiner Promotion an der FU Berlin war er im Bereich der Neutronenstreuung und der molekularen Biophysik am HahnMeitnerInstitut in Berlin und am Forschungszentrum Jülich tätig. Er habilitierte sich in der Physikalischen Biologie der ... mehr

    Dr. David Elmenhorst

    David Elmenhorst, geb. 1975, studierte Medizin in Aachen und promovierte am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln im Bereich der Schlafforschung. 2008/2009 war er Gastwissenschaftler am Brain Imaging Center des Montreal Neuro­logical Institut in Kanada. Seit 2003 ist er in der A ... mehr

    Prof. Dr. Andreas Bauer

    Andreas Bauer, geb. 1962, studierte Medizin und Philo­sophie in Aachen, Köln und Düsseldorf, wo er auf dem Gebiet der Neurorezeptorautoradiografie promovierte. Seine Facharztausbildung absolvierte er an der Universitätsklinik Köln, er habilitierte an der Universität Düsseldorf im Fach Neuro ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.