:: Physikalsche Kleinigkeiten ::
Optik, Quantenoptik, Elektrizität, Magnetismus
:: 15.11.04 ::, Permalink
Spin rechts/Spin links
Elektronen haben eine Eigenschaft, die man etwas salopp als Drehung des Elektrons um seine eigene Achse bezeichnen kann - den sogenannten Spin. Mit Magnetfeldern Spins zu sortieren ist einfach - der Stern-Gerlach Versuch. Mit einem Magnetfeld Ladungen zu sortieren ist auch einfach - der Hall Effekt. Mit einem elektrischen Feld Ladungen zu sortieren ist noch einfacher - Plattenkondensator. Aber mit einem elektrischen Feld Spins sortieren? Vorhergesagt haben das zwei russische Physiker schon lange. Nur beobachtet hat das noch keiner. Die Hauptschwierigkeit war, die Spins zu detektieren. Mit einem sogenannten Kerr-Mikroskop haben amerikanische Physiker es nun geschafft - sozusagen ein Spin-Hall Effekt. Einem Halbleiter (Galliumarsenid und Indium-Galliumarsenid) haben sie in ein kleines elektrisches Feld gebracht haben und beobachtet, daß auf der einen Seite sich Elektronen sammelten, die sich rechtsherum drehen und auf der anderen Seite Elektronen, die sich linksherum drehen. Das tolle (aus der Sicht eines Physikers) ist, daß dabei kein Strom sondern nur der Spin fließt. Ein "Spinstrom" und damit ein Riesenschritt auf dem Weg zu einer Elektronik mit Spins - der Spintronik.( Sciencexpress 1105514 )
:: 21.10.04 ::, Permalink
Plasmakristall
Forscher aus Greifswald und Kiel haben einen Kristall bei 40 000° C erzeugt. Definitionsgemäß ist ein Kristall eine regelmäßige Anordnung von Teilchen. Die Physiker haben in einem Plasma, d.h. einem Mischmasch aus Elektronen und Ionen, beobachtet, wie geladene Polymerteilchen eine zwiebelschalenformige Anordnung einnehmen. Naja, die Elektronen hatten eine Temperatur von 40 000° C, die Temperatur der Ionen war mit rund 700° C doch etwas niedriger. Trotzdem ist es eine schöne Möglichkeit die Wechselwirkung von größeren geladenen Teilchen im Plasma zu untersuchen. (O. Arp et al., Phys. Rev. Lett. , im Druck)
:: 16.9.04 ::, Permalink
Magnet im Fluss
Magnetfelder in rotierenden, elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten ist mit das Komplizierteste, was man in der Physik machen kann. In vielen physikalischen Systemen ist aber genau diese Magnetohydrodynamik wichtig. Z.B. dreht die Erde sich und im Inneren ist sie zum Teil flüssig und Magnetfelder gibt es auch. In Sternen und Gasplaneten sind auch Magnetfelder vorhanden und die Rotation der Gase in den Sternen und Planeten ist zudem auch kompliziert. Auch in Gaswolken um rotierende Sterne sind Magnetfelder da und das Gas ist oft ionisiert und dreht sich.
Physikern von der Universität Maryland ist dazu ein wichtiges Experiment gelungen, bei dem sie zum ersten Mal "magnetische Instabilitäten" in einer rotierenden Flüssigkeit beobachtet haben. In eine Hohlkugel haben sie flüssiges Natrium getan und darin eine weitere Kugel rotieren lassen. Dann haben sie ein statisches Magnetfeld angelegt. Bei bestimmten Verhältnissen der Rotationsgeschwindigkeit zum Magnetfeld zeigten sich charakteristische Magnetfeldmuster im Natrium. Mehr noch - die Strömung in der Flüssigkeit kann turbulent sein und die Muster entstehen trotzdem. Weitere Experimente dieser Art können helfen, besser zu Verstehen, wie z.B. das Erdmagnetfeld entsteht und stabil bleibt oder wie Gaswolken um Sterne herum durch die Ausbildung der magnetischen Muster in sich zusammenfallen. (Sisan et al., Phys. Rev. Lett. , im Druck)
:: 30.8.04 ::, Permalink
Schneller als das Licht
Licht ist bekanntermaßen eine elektromagnetische Welle. Das elektrische Feld von Licht schwingt aber verdammt schnell hin und her. So schnell, daß es bisher unmöglich war, das sich ändernde elektrische Feld direkt zu beobachten. Ein Team aus Physikern aus Deutschland und Österreich haben jetzt einen extrem kurzen Laserpuls im weichen Röntgenbereich erzeugt, der kurz genug ist, um das elektrische Feld eines anderen kurzen, aber sonst normalen Laserpulses abzutasten. Sie haben den zeitlichen Abstand der beiden Laserpulse kontinuierlich verändert und es damit geschafft, buchstäblich ein Oszilloskop zu bauen, mit dem das elektrische Feld in Licht aufgezeichnet werden kann. (Science 305 (2004) 1267)
:: 7.7.04 ::, Permalink
Rekord-Laser
Ein Team aus amerikanischen Wissenschaftlern hat einen neuen Rekord für die Energiedichte eines Laser-Impulses aufgestellt. Mit einem Titan-Saphir-Laser mit dem schönen Namen Hercules haben sie eine Energiedichte von fast 1022 Watt/cm2 erreicht. Möglich wurde das durch die Technik der adaptiven Optik, bei der ein deformierbarer Spiegel laufend nachkorregiert wird, um immer einen möglichst kleinen Laserpunkt zu erzielen.
Höchstleistungslaser mit ihren riesigen Energiedichten ermöglichen es, Phänomene zu untersuchen, die im Grenzbereich der Physik liegen. Beispiele sind die Kernfusion und die Elementarteilchenphysik . So können zum Beispiel sogar Positronen (Antielektronen) im Laserstrahl erzeugt werden. (S. Bahk, to be published)
:: 3.7.04 ::, Permalink
Neuer Lehrbucheffekt
Man könnte ja meinen, daß alle fundamentale Effekte - d.h. sozusagen Lehrbucheffekte - bekannt und beobachtet wären. Aber manchmal gibt es doch neue Effekte. Am MIT wurde ein solcher Effekt entdeckt und vermessen. Wenn ein elektrisch geladenes Teilchen - z.B. ein Elektron - in ein Magnetfeld gebracht wird, so fliegt es im Kreis und zwar mit der Zyklotronfrequenz. Bei Molekülen ist das genauso. Mit einem winzigen Unterschied. Das Molekül besteht aus mehreren Atomen. Dabei sind die Kräfte, die auf ein Atom des Moleküls auf der Innenbahn wirken anders, als die, die auf der Außenbahn fliegen. An sich nichts besonderes. Besonders ist, daß man durch die winzige Änderung der Geschwindigkeit des Moleküls auf der Kreisbahn direkt nach ganz einfachen Gesetzen Aussagen über die innere Struktur des Moleküls machen kann. Allerdings ist die (relative) Änderung nur ein Milliardstel und es ist ein relativ hohes Magnetfeld nötig. Deshalb war bisher keiner auf die Idee gekommen, diesem Effekt nachzugehen.(Nature 430 (2004) 58)
:: 20.6.04 ::, Permalink
Attophysik
Elektronen in Materie dabei zu beobachten, wie sie sich bewegen, ist schwer, weil sie ziemlich klein und außerdem ziemlich schnell sind. So schnell, daß ihre Bewegungen nur Attosekunden dauern (1 Attosekunde = 10-18 s). Physiker von der Cornell Universität haben nun geschafft, einen Film von einer Elektronenwelle in Wasser zu 'drehen'. Dazu haben sie Röntgenstrahlen an der Wasseroberfläche gestreut. Von den gestreuten Röntgenstrahlen haben sie soviel wie möglich aufgesammelt - insbesondere die, die etwas Energie verloren haben - und dann aus diesen Daten ausgerechnet, wie die Elektronenwelle aussieht. Den Film kann man hier sehen.(Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 237401-1 )
:: 23.10.03 ::, Permalink
Elektron/Elektronenloch-Welle
Wenn Elektronen in Halbleitern, wie Silizium oder Galliumarsenid, beweglich gemacht werden, bleiben sie unter Umständen an dem zurückbleibenden Loch kleben. Das entstehende Gebilde aus Elektronenloch und Elektron nennt man Exciton und besitzt wieder Eigenschaften eines Teilchens. Die Quantenmechanik sagt nun, daß auch ein solches Gebilde nicht nur Teilcheneigenschaften, sondern auch Welleneigenschaften hat. Mit einer ausgefeilten Technik haben Forscher aus Japan jetzt eine Mikroskopieaufnahme der Excitonenwelle gemacht (s.u.). Abgesehen von dem schönen Bild, ist das Tolle daran, daß die Auflösung 30 nm (30 millionstel Millimeter) beträgt - mehr als eine Größenordnung unterhalb der Lichtwellenlänge. (Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 177401)
Excitonenwelle (K. Matsuda/Kanagawa Acad. of Science and Tech.)
:: 20.10.03 ::, Permalink
Optik verkehrt
Amerikanische Physiker haben ein Material entdeckt (YVO4), das einen negativen Brechungsindex hat. Theoretisch war es schon einige Zeit klar, daß Materialien auch einen negative Brechungsindex haben können. Experimentell beobachtet hat man dieses Phänomen zuerst an Meta-Materialien - z.B. Kombinationen aus Kupferringen und Drähten. Nun haben die Forscher einen ganz normalen Kristall gezüchtet, der einen negativen Brechungsindex hat. (Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 157404)
:: 9.10.03 ::, Permalink
Magnetische Monopole
Ein Magnet hat immer einen Nord- und einen Südpol. Eigentlich könnten auch isolierte magnetische Pole (Monopole) existieren. Allerdings sprechen alle bisherigen Messungen dagegen, es sei denn, sie wären furchtbar energiereich. Schweizer und japanische Physiker wollen nun in einem ganz normalen Oxid (SrRuO3) magnetische Monopole gesehen haben. Diese Monopole existieren allerdings in einem mathematisch konstruierten Raum des Oxid-Kristalls - dem sogenannten reziproken Raum, der die periodische Anordnung der Atome im Kristallgitter widerspiegelt. Damit sind das keine 'echten' Monopole, aber man kann an ihnen die Eigenschaften studieren, die die echten, superschweren Monopole haben - wenn sie denn nun existieren. (Science 302 (2003) 92)
:: 22.9.03 ::, Permalink
Ein-Atom-Laser
Einer der grundlegenden Eigenschaften eines Lasers ist, daß das ausgesandte Licht streng im Takt schwingt. Normalerweise nimmt man dazu viele Atome, z.B. in einem Gas, und regt sie in einem speziellen Prozeß zum Leuchten an. Forscher am Caltech haben es jetzt geschafft, einen Laser zu bauen, wo nur ein Atom leuchtet; das aber immer wieder. Das eine Atom wird dabei dazu gebracht, ein Lichtteilchen (Photon) in einer ganz bestimmten Art und Weise auszusenden. Danach wird es in den Ursprungszustands (Grundzustand) zurückgebracht und wiederum dazu stimuliert, ein Lichtteilchen auszusenden. Zwar ist die Lichtintensität, die ein Ein-Atom-Laser aussendet, naturgemäß nicht groß, aber das Licht ist noch geordneter, als das von herkömmlichen Lasern.(Nature 425 (2003) 268)
:: 19.6.03 ::, Permalink
Rauchringe im Plasma
Ein Plasma ist in der Physik ein ionisiertes Gas. Besonders schwierig, aber auch besonders interessant, sind Effekte im Plasma mit angelegten Magnetfeld. Ein solcher Effekt ist die Erzeugung von sogenannten Spheromaks. Das sind Strukturen im Plasma, die oberflächlich gesehen wie Rauchringe aussehen, in denen man aber auch vielleicht Kernfusion zur Energiegewinnung betreiben könnte. Die Entstehung dieser Spheromaks konnte jetzt zum ersten mal direkt beobachtet werden. (Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 215002)
:: 25.4.2003 ::, Permalink
Populäre Irrtümer
Gestern in der Vorlesung: das Hochspannungskarussell. Zwei oder mehr gebogene Drähte oder spitz zulaufende Streifen sind auf einer feinen Spitze gelagert, so daß sie sich gut drehen können. Eine Hochspannung wird angelegt. Das Karussell aus den Drähten fängt sich an zu drehen (hier und hier ein Video). Warum? Naheliegende, oft gegebene und falsche Erklärung: die austretenden Elektronen treiben durch den Rückstoß beim Austritt das Rad an. Aber: egal, ob ich das Rad positiv oder negativ auflade, es dreht sich immer in die gleiche Richtung. Die richtige Erklärung: hier, hier und hier.
:: 24.4.2003 ::, Permalink
Mit einer Behinderung der Ionen muß gerechnet werden
Nicht nur die Elektronen in Metallen können den elektrischen Strom leiten, sondern auch das Wandern von ganzen Ionen kann dazu führen, daß ein Material einen kleinen elektrischen Widerstand aufweist. Technologisch wird das zum Beispiel bei Batterien, Sensoren, Brennstoffzellen oder "smart windows" ausgenutzt. Die mobilen Ionen müssen klein sein, und das sind z.B. Alkali-Ionen, wie Lithium, Natrium, Rubidium usw., die in einem anderem Material eingelagert sind (z.B. Lithium in LiPO3). Komischerweise darf nur eine Sorte dieser Ionen vorhanden sein. Hat man zwei Sorten, z.B. Lithium und Rubidium, ist die elektrische Leitfähigkeit buchstäblich millionenfach kleiner. Warum das so ist, haben jetzt zwei Forscher aus Schweden und Göttingen herausgefunden. In einer Simulationsrechnung haben sie herausgefunden, daß die beiden Ionensorten unterschiedliche Wege gehen, und dort wo sich ihre Wege kreuzen, blockieren sie sich gegenseitig. (Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 155507)
Die verschlungenen Pfade von Lithium-Ionen bei ihrem Weg durch ein Phosphatgitter.
:: 24.4.2003 ::, Permalink
Es werde Licht!
Die Natur des Lichts beschreibt, was Licht ist und gibt einen historischen Überblick über die Entwicklung der unterschiedlichen Lichtmodelle (Sehstrahlen, Partikel, Wellen). Das Projekt befindet sich noch im Aufbau, aber es gibt schon viel zu lesen. Der Autor, Martin Baselt, ist Lehrer und unterrichtet Mathematik, Physik, Chemie und Biologie. (via: Andrea, Schockwellenreiter)
:: 15.4.2003 ::, Permalink
Licht-Spritze
Normalerweise reicht der Strahlungsdruck des Lichts nur selten aus, um deutliche Effekte zu erzielen. Auch die bekannte Lichtmühle funktioniert nicht mit Strahlungsdruck (dann müßte sie sich andersherum drehen, als sie es tut). Forscher aus Bordeaux haben jetzt den Lichtdruck eines Laserstrahls ausgenutzt, um einen buchstäblich haarfeinen Flüssigkeitsstrahl zu erzeugen. Dazu richteten sie den Laserstrahl auf die Grenzfläche zwischen zwei sehr ähnlichen Flüssigkeitsgemischen. Je nach Temperatur der Flüssigkeiten und der Laserintensität, erzeugten sie Beulen in der Grenzfläche oder einen feinen Flüssigkeitsstrahl der einen Flüssigkeit in die andere Flüssigkeit. Anwendungen gibt es dafür sicherlich, wenn es gelingt, die Flüssigkeitsstrahlen unter etwas weniger speziellen Umständen zu erzeugen. (Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 144503)
:: 7.4.2003 ::, Permalink
Es werde Licht
Eine schöne Seite rund ums Licht gibt es vom VDI-Technologiezentrum Düsseldorf, gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung: Faszination Licht. Es gibt: Flash-Animationen, Java-Applets, Plakate, Arbeitsblätter für den Sachkundeunterricht ... Die zugehörige Wanderausstellung ist derzeit auf der Hannover-Messe zu sehen (7.4. - 12.4.).
:: 8.4.2003 ::, Permalink
Ladungen, dreht euch im Kreise
Ein verblüffendes Experiment haben Forscher der University of California, Riverside, gemacht. Sie haben drei Metallkugeln an Fäden aufgehängt und eine der Kugel an eine Hochspannung angeschlossen. Merkwürdigerweise fangen die anderen beiden Kugeln sich zu drehen an. Dahinter steckt natürlich die Coulombkraft - die abstoßende/anziehende Kraft zwischen Ladungen. Zwei Punktladungen ziehen/stoßen sich immer entlang ihrer Verbindungslinie an/ab. Daß das bei nicht punktförmigen Kugeln zu einer Drehung führen kann, ist eine nette Entdeckung. Über den weiteren Inhalt der Presseerklärung der UC Riverside schweige ich lieber.... (Appl. Phys. Lett. 80 (2002) 2800, Europhys. Lett. 59 (2002) 521, J. Math. Phys. 44 (2003) 849)
:: 26.3.2003 ::, Permalink
Rubin bremst Licht
Forscher der Universität Rochester haben Licht in Rubin fast zum stehen gebracht. Gerade mal 57 m/s ist das Licht noch schnell. Licht stark abbremsen konnte man schon. Allerdings nur in Gasen oder bei sehr tiefen Temperaturen. Bei Rubin geht es bei Zimmertemperatur und ganz normal im Rubin-Kristall. Zudem braucht man nur einen Laser. Sonst hat man mit einem Laser das Material vorbehandelt (Pump) und dann mit einem zweiten Laser (Probe) ein Lichtpuls in das Material geschickt der dort verdammt langsam vorankam. Beim Rubin dagegen hat der Laserpuls sich selbst abgebremst.
Das überraschende an dem Experiment ist, finde ich, daß die Technik sehr einfach ist - man kann das Experiment fast zu Hause durchführen. (Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 113903)
:: 18.3.2003 ::, Permalink
Bessy leuchtet
Das Berliner-Elektronen-Speicher-Synchrotron (Bessy) leuchtet hell in einem Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der bis jetzt nicht sehr gut zugänglich war: im fernen Infrarot. Das ist langwelliges Infrarotlicht - zu langwellig um mit 'normalen' Lichtquellen (Lampen, Laser,...) genügend hell erzeugt zu werden und zu kurzwellig um mit elektronischen Schaltungen erzeugt zu werden. Bei Bessy konnte nun zu ersten mal stationäre, kohärente Strahlung des fernen Infrarot erzeugt werden. Das ermöglicht Messungen z.B. an Halbleitern, aber auch biologischen Systemen, die bisher so nicht möglich waren. (Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 094801)
:: 10.3.2003 ::, Permalink
Mikroskopie I
Lichtmikroskope werden immer besser. Optische Nahfeldmikroskope funktionieren zwar mit Licht, sehen aber anders aus und arbeiten auch gänzlich anders als 'normale' Mikroskope. Amerikanische Wissenschaftler haben einen neuen Rekord mit optischen Mikroskopen aufgestellt: Sie fertigten mit einem optischen Nahfeld-Raman-Mikroskop Bilder von Carbon Nanotubes (Kohlenstoff Nanoröhren) mit bisher unerreichter Schärfe an. (Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 095503)
links: 'normales' Mikroskop, rechts: Neue Nahfeldmikroskopie-Technik
:: 4.3.2003 ::, Permalink
Unterdrückung des Quantenrauschens
Bei Gravitationswellendetektoren und anderen hochpräzisen Interferometern stören zwei Arten Rauschen des Lichts: das Phasenrauschen (unscharfe Phase des Lichts) und das Intensitätsrauschen (unscharfe Intensität des Lichts). Letzteres führt über den Strahlungsdruck zu einem Wackeln der Spiegel im Interferometer. Nun haben drei französische Physiker vorgeschlagen, durch ein zweites Interferometer die Position des Spiegels festzustellen. Sie haben berechnet, daß durch eine Rückkopplung die Position des Spiegels so aktiv korregiert werden kann, ohne daß das Phasenrauschen zunimmt. ( Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 083601 )
:: 29.01.2003 ::, Permalink
Photonische Kristalle auf Schmetterlingsflügeln
Belgische und ungarische Forscher haben untersucht, wieso manche Schmetterlinge bunt schillern und nahe Verwandte, die in kälteren Regionen wohnen, dagegen nur einfach braun sind. Die Antwort ist aktuelle Physik: Bei den bunten Arten bilden die Schmetterlingsflügel photonische Kristalle, bei den braunen jedoch nicht, weshalb ihre Flügeltemperatur höher ist. (L. P. Biro et al. Phys. Rev. E (2003))
:: 21.01.2003 ::, Permalink
Vorwärts fliegen - rückwärts strahlen
Theoretische Physiker am MIT haben ausgerechnet, daß in Photonischen Kristallen die Cherenkov-Strahlung,anders als sonst, entgegen der Flugrichtung der sie erzeugenden Elektronengerichtet ist. Ausserdem gibt es für die Erzeugung der Cherenkov-Strahlen hier keine Mindestgeschwindigkeit der Elektronen. Bleibt für die Experimentalphysiker. daß zu verifizieren (oder zu falsifizieren). (Science 299 (2003) 368)
:: 5.12.2002 ::, Permalink
Bei Desy in Hamburg steht einer der wenigen Freien-Elektronen-Laser der Welt (FEL im TESLA). Dieser Laser kann extrem helle (kohärente) Pulse aus Röntgenstrahlung erzeugen. Nun konnte das erste Experiment damit gemacht werden: Röntgenpulse wurde auf Cluster (Klumpen) aus Xenon-Atomengeschossen. Folge: Der Cluster explodiert. Naja, interessant für die Physikerist natürlich, wie der Cluster sich bei diesem Prozeß aufheizt, bis er explodiert.(Nature 420 (2002) 482)
:: 22.11.2002 ::
In der Optik im Mikroskopischen gibt es immer wieder neue Fortschritte. Das optische Nahfeldmikroskop ist ja seit einigen Jahren ein wichtiges Instrument geworden. Zwei neue Enticklungen gibt es aus Stanford und Graz zu vermelden:
Die gezielte Aussendung einzelner Photonen (Lichtteilchen) aus einem Quanten-Punkt innerhalb eines Mikrosäule
Quantum Dot in a Micropost Microcavity
und
Die Realisierung von Spiegeln, Strahlteilern und einem Interferometer für zweidemsionale Lichtwellen, die an einer Oberfläche laufen (wie Wasserwellen).
