Physik-Nobelpreis 2009 – und davor

Zündspannung

Die Verleihung der Nobelpreise steht wieder an – dieses Jahr für mich besonders spannend, denn ich bereite mich im Moment sehr intensiv auf die Verteidigung meiner Doktorarbeit vor. Dabei werde ich erst einen Vortrag über „mein“ Thema halten. Dann werden erst Fragen über mein Spezialgebiet gestellt und danach über Physik im Allgemeinen. Diesen zweiten Teil der Doktorprüfung kann man schlecht vorhersagen und sich noch schlechter darauf vorbereiten. Ein Thema, das allerdings traditionell immer auftaucht, ist der Nobelpreis in Physik.

Ein Nobelpreis-Thema, das sich für uns als Mitglieder der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) natürlich anbietet, ist der Frequenzkamm (Preisverleihung im Jahr 2005). Schließlich wurde dieser von einem Mitglied unser Alma Mater, Prof. Hänsch, mitentwickelt, der außerdem noch an unserem Nachbarinstitut, dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ), forscht.

Frequenzkamm - von http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:FrequencyComb-CEOphase.svg&filetimestamp=20060811164747
Frequenzkamm – HartmutG, Wikipedia

Ein Frequenzkamm besteht aus einem Puls von Laserlicht verschiedener Wellenlängen, dessen Frequenzen einen genau bekannten konstanten Abstand voneinander haben. Das erinnert an die einzelnen Zähne eines Kamms, daher der Name. Mithilfe eines solchen Pulses kann man dann die Frequenz eines unbekannten Lichtstrahls sehr genau bestimmen: Man lässt den bekannten Laserstrahl mit dem unbekannten Licht interferieren  und bestimmt die Schwebungsfrequenz, die sich im gut messbaren Radio-Bereich befindet.

Mit dieser Technik wurde die Genauigkeit der Frequenz-Messungen enorm verbessert. Dies erlaubt es zum Beispiel, die Feinstruktur von Atomen genauer zu untersuchen, herauszufinden, ob die Naturkonstanten sich mit der Zeit ändern oder Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie zu bestimmen.

Im Jahr 2007 wurde ein weiterer Deutscher mit dem Nobelpreis im Fach Physik ausgezeichnet: Peter Grünberg für die Entdeckung des Riesenmagnetwiderstands (gemeinsam mit dem Franzosen Albert Fert). Dieser Effekt tritt in Materialien auf, die aus sich abwechselnden dünnen Schichten bestehen. Die erste Lage ist ferromagnetisch,  das heißt, es besteht aus ausrichtbaren Elementarmagneten. Ein Beispiel für solch ein Material ist Eisen. Diese Schichten sind durch nicht-magnetische Lagen voneinander getrennt. Wenn diese Lagen eine bestimmte Dicke haben, ist es für die ferromagnetischen Schichten energetisch günstiger, ihre Magnetisierungen antiparallel auszurichten.

Nun soll ein Strom durch diese Schichten geschickt werden. Strom besteht aus Elektronen, die an Unregelmäßigkeiten im Leiter streuen – ein Widerstand entsteht. In Ferromagneten hängt der Widerstand gegen den Fluss der Elektronen zusätzlich auch noch von der Magnetisierung des Materials ab, denn Elektronen besitzen einen Spin, der wiederrum zu einem magnetischen Moment führt. Dieses magnetische Moment wechselwirkt mit den Magnetisierungen der ferromagnetischen Schichten – der Widerstand für Elektronen, deren Spin nach oben zeigt, ist anders als derjenigen, deren Spin nach unten zeigt.

nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/info.html
Spinabhängigkeit des elektrischen Widerstand – Köngliche Schwedische Akademie der Wissenschaften

Wenn nun die erste Schicht unseres Materials so ausgerichtet ist, dass zum Beispiel gerade Elektronen mit Spin nach oben gut durchgelassen werden, haben diese Elektronen bei der zweiten Schicht Pech: Hier ist die Magnetisierung genau anders herum als in der ersten Schicht, und nun werden sie ausgebremst (Bild B). Insgesamt gesehen ist also der Widerstand des Materials sehr hoch, da alle Elektronen entweder in der ersten oder der zweiten Schicht garantiert auf einen hohen Widerstand treffen.

Der Trick bei diesen Materialien ist es jetzt, dass man mithilfe eines Magnetfelds die Magnetisierung der ferromagnetischen Schichten relativ leicht ändern kann, und zwar für alle Schichten gleich. Dann ist plötzlich für die Hälfte der Elektronen das Material gut zu durchqueren, und der elektrische Widerstand sinkt dramatisch (Bild A). Dies macht es möglich, schon kleine Magnetfelder leicht zu detektieren.

Auch am ersten Nobelpreis dieses Jahrzehnts war ein Deutscher beteiligt, Wolfang Ketterle, der ebenfalls einige Zeit an der LMU und dem MPQ gearbeitet hat, dann aber an das MIT gegangen ist. Er wurde 2001 gemeinsam mit zwei Amerikanern für die Erzeugung des Bose-Einstein-Kondensats ausgezeichnet. So ein System besteht aus Bosonen, das sind Teilchen mit einem ganzzahligen Spin. Beispiele von Bosonen sind Photonen oder auch Atomkerne, die aus einer geraden Anzahl an Neutronen und Protonen bestehen. So bilden beim Deuterium ein Neutron und ein Proton gemeinsam ein Boson.

Bei der komplementären Teilchenart mit einem halbzahligen Spin, den Fermionen, gilt das Pauli’sche Ausschließungsprinzip: Fermionen mit den gleichen Eigenschaften können sich nicht am selben Ort aufhalten. Ganz anders bei Bosonen: Wenn diese Teilchen stark gekühlt werden, nehmen sie alle dieselben Eigenschaften an – sie bilden das Bose-Einstein-Kondensat.

Bose-Einstein-Kondensat http://en.wikipedia.org/wiki/File:Bose_Einstein_condensate.png
Geschwindigkeitsverteilung beim Kondensieren in ein Bose-Einstein-Kondensat – NIST

Auch in den Jahren 2008 und 2004 wurden die Nobelpreise im Bereich der Elementarteilchenphysik vergeben. 2004 ging es um die „asymptotische Freiheit der starken Wechselwirkung“. Die starke Wechselwirkung hält die Bestandteile der Neutronen und Protonen, die Quarks, zusammen.

Die Quarks tragen eine Ladung, die „Farbe“ genannt wird und in einiger Hinsicht analog zu der elektrischen Ladung betrachtet werden kann. Es gibt allerdings einen großen Unterschied zwischen diesen Arten der Ladung: Wenn zwei Teilchen mit unterschiedlichen elektrischen Ladungen nah aneinander gebracht werden, steigt die Anziehungskraft zwischen ihnen. Nähern sich jedoch Quarks an, wird die Kraft immer kleiner! Diesen Effekt nennt man gerade „asymptotische Freiheit“.

Entsprechend steigt die Stärke der Kraft, wenn die Quarks sich voneinander entfernen – deshalb werden auch nie einzelne Quarks beobachtet. Der Nobelpreis wurde für die theoretische Erklärung dieses Effekts verliehen.

Auch letztes Jahr ging es um Quarks, zusammen mit Symmetriebrechungen. In der Elementarteilchentheorie gibt es drei grundlegende Symmetrien: die Spiegelsymmetrie, die Ladungssymmetrie und die Zeitsymmetrie. Laut des Prinzips der Spiegelsymmetrie sollten alle Prozesse gleich ablaufen, egal, ob sie direkt oder im Spiegel beobachtet werden. Es sollte keinen Unterschied zwischen links und rechts geben. Laut der Ladungssymmetrie sollten alle physikalischen Prozesse für Teilchen und deren Antiteilchen gleich ablaufen. Zuguterletzt sagt die Zeitsymmetrie aus, dass physikalische Prozesse auf dem mikroskopischen Level vorwärts und rückwärts in der Zeit gleich ablaufen sollten.

Experimentell wurde in den 60ern allerdings nachgewiesen, dass der Zerfall bestimmter Teilchen die Spiegel- und Ladungssymmetrie bricht. Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa haben dieses dann einige Jahre darauf theoretisch erklären können, benötigten für ihre Theorie allerdings weitere Arten von Quarks, die zu dem Zeitpunkt noch nicht bekannt waren. Diese Quark wurden Jahre später experimentell nachgewiesen.

Der andere Preisträger von 2008, Yoichiro Nambu, war der erste, der den Mechanismus der spontanen Symmetriebrechung in der Elementarteilchenphysik angewandt hat. So eine Symmetriebrechung tritt immer dann auf, wenn der Grundzustand eines Systems weniger symmetrisch ist als der ursprüngliche Zustand höherer Energie. Ein oft angeführtes Beispiel hierfür ist ein Bleistift, der auf seiner Spitze balanciert und damit rotationssymmetrisch ist. Wenn er dann in eine Richtung umfällt, wird diese Symmetrie spontan gebrochen.

Eng mit der spontanen Symmetriebrechung verbunden ist das Thema vom Jahr 2003: Supraleiter und Supraflüssigkeiten. In Supraleitern wird bei extrem niedrigen Temperaturen elektrischer Strom ohne Widerstand geleitet. Supraflüssigkeiten verlieren selbst bei niedrigen Temperaturen jede innere Reibung. Sie rotieren also zum Beispiel nicht mit, wenn das Gefäß, in dem sie sich befinden, sich dreht.


Schwebender Magnet über einem Supraleiter – Mai-Linh Doan, Wikipedia

Die Supraleitung entsteht, indem sich je zwei Elektronen mithilfe der Gitterschwingungen des Ionenkristalls, durch den sie fließen, zu einem Paar verbinden, dem Cooper-Paar. Sie bilden damit ein Boson, wie die oben erwähnten Nukleonen in einem Deuterium-Kern. Bei niedrigen Temperaturen reicht die Energie der Metallionen nicht aus, um die Elektronen anzuregen, und damit stoßen die Elektronen nicht an den Ionen und fließen ohne Widerstand. Für diese Erklärung wurde bereits im Jahr 1972 der Nobelpreis verliehen.

Es gibt zwei Arten von Supraleitern. Typ I, der durch die Theorie vom 1972er Preis beschrieben wird, hat die zusätzliche Eigenschaft, dass er Magnetfelder völlig aus seinem Inneren verdrängen kann. Das führt dann unter anderem dazu, dass Magneten über Supraleitern schweben können, wie auf dem Bild gezeigt. In Materialien von Typ II jedoch können Magnetfelder in Form von Röhren eindringen. Der Preis von 2004 wurde für die Erklärung von Typ II Supraleitern vergeben.

Ein anderes Teilchen, das bei seiner Bewegung kaum Widerstand erfährt, ist das Neutrino. Bei den Neutrinos ist der Grund dafür aber ein anderer als bei Cooper-Paaren: Es trägt keine elektrische und keine Farbladung, reagiert mit anderen Teilchen also nur mittels der Gravitation und der schwachen Wechselwirkung. Da die Masse der Neutrinos auch noch sehr klein ist, sind diese beiden Kräfte so schwach, dass Neutrinos kaum nachweisbar sind.

Diese Teilchen werden in riesigen Mengen in der Sonne erzeugt: Jede Sekunde durchdringen 60 Milliarden Neutrinos jeden Quadratzentimeter der Oberfläche der Erde. Wenn das menschliche Auge in der Lage wäre, Neutrinos zu sehen, würden wir nichts anderes mehr wahrnehmen können!

Es ist enorm schwierig, Neutrinos zu messen. Der Nobelpreis 2002 wurde zu einer Hälfte für den Nachweis kosmischer Neutrinos vergeben. Eine Möglichkeit, diese schwer fassbaren Teilchen zu untersuchen, ist der Einfang mittels Chloratomen. Das Chlor wird in dieser Reaktion in radioaktives Argon umgewandelt, das nachgewiesen werden kann. Dies wurde von einem der Preisträger, Raymond Davis, in der Brookhaven und später in der Homestake-Mine getan. Tatsächlich konnte der Physiker Neutrinos von der Sonne einfangen – allerdings nur ein Drittel von der theoretisch vorhergesagten Anzahl. Dieses solare Neutrinodefizit war ein erster Hinweis auf das Verschwinden von Neutrinos auf dem Weg von der Sonne zur Erde. Erklärt werden kann dies mit Neutrino-Oszillationen: Eine Art von Neutrinos wandelt sich in eine anderen um, die dann aber mit den Chlor-Detektoren nicht mehr nachgewiesen werden kann. Diese Umwandlungen haben weitreichende Konsequenzen für das Standardmodell der Elementarteilchenphysik.

http://www.flickr.com/photos/7702002@N08/2252406325
Super-Kamiokande – Ethan Hein

Der zweite 2002 für Neutrinophysik ausgezeichnete Physiker ist Masatoshi Koshiba mit dem Kamiokande-Experiment. Dieses Experiment besteht aus einem riesigen Wassertank in einer Mine und sollte ursprünglich den postulierten Protonen-Zerfall mittels des dabei ausgesendeten Lichts messen. Durch das Neutrinodefizit inspiriert, modifizierte Koshibas Gruppe das Experiment so, dass auch Neutrinos nachgewiesen werden konnten. Dabei hatte Kamiokande einen entscheidenden Vorteil gegenüber dem Homestake-Experiment: Hier konnten die Neutrinos in Echtzeit nachgewiesen werden, während bei Homestake darauf gewartet werden musste, dass sich genügend Argon-Atome angesammelt hatten. Außerdem konnte mit Kamiokande die Richtung, aus der die Neutrinos kamen, bestimmt werden. Die Resultate des Homestake-Experiments wurden mit Kamiokande bestätigt und verbessert. Außerdem konnten zum ersten Mal Neutrinos aus einer Supernova-Explosion nachgewiesen werden. Seit diesen beiden Experimenten hat die Neutrino-Physik weitere Fortschritte gemacht, es wurden direkt die Neutrinos nachgewiesen, in die aus der Fusion in der Sonne umwandeln.

2002 wurde ein weiterer Astrophysiker ausgezeichnet, Riccardo Giacconi, einer der Pioniere der Röntgenastronomie. Er hat mit einem Raketenexperiment erstmals Röntgenstrahlung von außerhalb unseres Sonnensystems nachgewiesen, und Röntgenteleskope entwickelt. Die Röntgenastronomie hat seitdem unser Bild vom Universum grundlegend geändert.

Mein persönlicher Favorit unter den Nobelpreisen der letzten Jahre ist allerdings der für die Untersuchung der kosmischen Hintergrundstrahlung im Jahr 2006. Diese Strahlung entstand 380 000 Jahre nach dem Urknall. Zu diesem Zeitpunkt hatte sich das Plasma, das das Universum damals füllte, so weit abgekühlt, dass Elektronen von Protonen eingefangen werden konnten und sich neutraler Wasserstoff bildete. Ohne freie Elektronen und Protonen wurde die Photonen nicht mehr andauernd gestreut, sondern konnten sich ungestört ausbreiten – das Universum wurde durchsichtig. Diese Photonen, die damals ausgesendet wurden, kann man heute noch messen, eben als die kosmische Hintergrundstrahlung.

lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/cobe_images/cmb_fluctuations_big.gif
Fluktuationen in der Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung – NASA, COBE Team

Das Spektrum dieser Strahlung beinhaltet enorm viele Informationen über die Entstehungsgeschichte unseres Universums. Es ist sehr gleichförmig, zeigt allerdings auf sehr kleinen Skalen (im Bereich von 0,001 %) Unregelmäßigkeiten. Für die Detektion dieser Schwankungen mit dem Satelliten COBE wurde 2006 der Nobelpreis vergeben. Die Daten von COBE wurden später von dem Satelliten WMAP verbessert, und die ESA-Mission Planck, die dieses Jahr gestartet ist, arbeitet weiter daran. Mit ihrer Hilfe wurde das Urknall-Modell spektakulär bestätigt, und viele Informationen über das Universum gesammelt.

Und was ist mit dem Nobelpreis in diesem Jahr? Es gibt einige Spekulationen. Thomson Reuters analysiert z.B. die Publikationen und wählt daraus geeignet scheinende Kandidaten aus – eine Liste, die dann wiederum zu vielen weiteren Tipps in der Blogosphäre führt. Um mich am wilden Spekulieren zu beteiligen: Es geht, ganz grob gesagt, um die Themenbereiche Quantencomputer, Quantenmechanik und Metamaterialien (siehe hierzu die kurze Erklärung in meinem Nachbarblog Formbar). Ich würde aus rein pragmatischen Gründen auf die Metamaterialien tippen – und bin gespannt, wer es am 6.10. dann wirklich wird.

Mierk Schwabe

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Erhöht man die Spannung zwischen zwei Elektroden, die ein Gas umgeben, beginnt das Gas irgendwann zu leuchten: Freie Elektronen im Gas haben genug Energie, um die Gasteilchen zu ionisieren und noch mehr Elektronen aus den Atomen zu schlagen. Ein Plasma wurde gezündet, die Zündspannung ist erreicht. Gibt man nun noch zusätzlich Mikrometer große Teilchen in das Plasma, erhält man ein sogenanntes "Komplexes Plasma", mit dem ich mich zunächst als Doktorand und Post-Doc am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und nun an der University of California in Berkeley beschäftige. In diesem Blog möchte ich sowie ein wenig Einblick in den Alltag im Forschungsinstitut bieten, als auch über den (Plasma)-Rand hinaus blicken. Mierk Schwabe

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