Das, was wir aus der Schule als kleinste Ladung kennen, kann sich in exotischen Materialien weiter aufspalten. Eigentlich braucht es dafür Magnetfelder. Doch auch ohne diese ließ sich der Effekt jetzt in einem Stoff nachweisen, der immer wieder für Überraschungen gut ist: Graphen.

Physiker haben erstmals experimentell bestätigt, dass es eine dritte Form des Magnetismus gibt – den Altermagnetismus. Diese Materialien sind äußerlich nichtmagnetisch und ähneln auch in der abwechselnden Ausrichtung ihrer Atomspins den Antiferromagneten. Doch im Inneren der Altermagneten wirken starke magnetische Kräfte auf die Elektronen und verändern ihren energetischen Zustand. Diesen Effekt und seine Hintergründe haben nun Forschende im Material Magantellurid nachgewiesen, wie sie in „Nature“ berichten.

Älterer Post zum Thema: Altermagneten: Eine neue Art von Magnetismus bewiesen

Paper: Altermagnetic lifting of Kramers spin degeneracy | PDF

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Neben Ferromagneten und Antiferromagneten wurde nun auch die Existenz von Altermagneten bewiesen. Sie wurde bereits 2019 in einer Studie vorhergesagt.

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Aktuell speichert das CERN im Rechenzentrum auf dem eigenen Gelände rund 750 Petabyte Daten.

FOSDEM24 Vortrag:

• CERN's Open Source Storage Systems
• Video des Vortrags - Dauer: 45 min

EOS Open Storag - CERN storage technology used at the Large Hadron Collider (LHC):

• Offizielle Webseite
• GitHub: EOS Open Storage
• GitHub: XRootD: eXtended ROOT Daemon

Wo warmes Wasser mit Oberflächen in Kontakt kommt, lagert sich mit der Zeit Kalk ab. Im Haushalt kennen wir diesen Effekt von Wasserkocher, Waschmaschine und Co. Besonders bedeutsam ist er in thermischen Kraftwerken, wo die Ablagerungen erheblich die Effizienz verringern. Als mögliche Lösung haben Forschende nun eine kalkabweisende Beschichtung entwickelt, die durch mikroskopisch kleine Rillen verhindert, dass sich Kalkkristalle ablagern. Als Vorbild diente die Haut von Haien.

Paper: Imparting scalephobicity with rational microtexturing of soft materials | PDF

Laser erzeugen einfarbiges, aber kein weißes Laserlicht – ihr Lichtspektrum ist zu schmal. Jetzt haben Physiker eine Methode entwickelt, die schmalbandige Laserpulse auf neue Weise in breitbandiges, weißes Laserlicht umwandelt – mithilfe von Wasser. In Kombination mit einem nichtlinearen optischen Kristall weitet das Wasser das Laserlicht spektral auf, gleichzeitig schützt es die nichtlineare Optik vor der hohen Intensität des Ausgangslasers. Die so erzeugten weißen Laserpulse können unter anderem Analysen ultraschneller Prozesse ermöglichen.

Paper: Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module | PDF

Bei Kugelbrunnen rotiert ein mitunter tonnenschwerer Stein reibungsarm auf einem dünnen Wasserfilm. Das funktioniert physikalisch nur, wenn die Kugel und ihre Basis hochpräzise aufeinanderpassen. Dann braucht es für diesen Balanceakt erstaunlich wenig Druck.

Im Dezember 2023 ging eine Schlagzeile durch die populäre Wissenschafts- und Tagespresse, wonach sich Stephen Hawking in Bezug auf Schwarze Löcher geirrt habe. Hintergrund war eine Arbeit des neuseeländischen Mathematikers Roy Kerr vom Dezember 2023, in der er einen vermeintlichen Fehler von Hawking und seinem Kollegen, dem Nobelpreisträger Roger Penrose, offenlegte. Demnach sei die Behauptung von Hawking und Penrose falsch, dass Schwarze Löcher stets eine »Singularität« (die häufig mit bis in die Unendlichkeit anwachsenden physikalischen Messgrößen gleichgesetzt wird) in ihrem »Inneren« bergen müssten. Den Nachweis führte Kerr durch ein vermeintliches Gegenbeispiel. Dieses erweist sich bei näherer Analyse allerdings als nicht zutreffend. Der Begriff der Singularität, auf den sich Penrose und Hawking stützten, ist deutlich komplizierter gefasst, was Kerr in seinem Argument nicht berücksichtigt.

Kristalle sind Meister der Ordnung – und doch entstehen sie aus dem Chaos. Aus dem Durcheinander einer flüssigen Lösung, in der die verschiedensten Teilchen ziellos umeinanderschwimmen, bildet sich unter den richtigen Bedingungen ein streng geordneter Festkörper, in dem jedes Atom seinen festen Platz hat. Der Aufbau eines solchen Gebildes, Teilchen für Teilchen und Schicht für Schicht, folgt festen Regeln.

Was genau passiert, wenn sich ein neues Teilchen zu einem Kristall gesellt? Eine Gruppe um die Chemikerin Rajshree Chakrabarti von der University of Houston hat das Rätsel jetzt aufgeklärt. Anders als gemeinhin angenommen, läuft der Prozess in zwei Schritten ab.

Ein neues Molekül oder Atom kann sich nicht an beliebiger Stelle an einen bestehenden Kristall anlagern. Das Wachstum erfolgt in Schichten, und das nächste Teilchen wird immer an derjenigen Stelle angebaut, die für den Kristall den größten Energiegewinn darstellt. Das sind, praktisch gesprochen, Knicke, Kanten, Ecken oder Vorsprünge. An solchen Andockstellen (in der Fachsprache als »kinks« bezeichnet) kann das hinzukommende Teilchen die meisten Bindungen zu den Teilchen im Kristall ausbilden.

Europa treibt die Pläne zum Bau eines 91 Kilometer langen, 16 Milliarden Euro teuren Teilchenbeschleunigers unter französischem und schweizerischem Gebiet voran. Mit der Maschine könnten Forschende das Higgs-Boson im Detail untersuchen. Nachdem der Vorgänger, der 27 Kilometer lange Large Hadron Collider (LHC) des CERN, jedoch keine bahnbrechenden neuen Erkenntnisse für die Physik gebracht hat, müssen Fachleute die Geldgeber erst davon überzeugen, dass sich solch eine enorme Investition lohnt.

Fazit im Artikel:

Einerseits eröffnet das die Möglichkeit, interessante topologische Systeme, beispielsweise für Quantencomputer, mit wenig Aufwand zu erforschen. Andererseits legt es nahe, dass exotische topologische Effekte womöglich auch anderswo eine größere Rolle spielen als bisher gedacht – zum Beispiel im Klimasystem. So gibt es Hinweise darauf, dass bestimmte atmosphärische Wellen am Äquator tatsächlich von topologischen Effekten herrühren.

Siehe auch Quantenmechanik erklärt Riesenwellen am Äquator

Im Jahr 1883 stellte der bekannte österreichische Physiker Ernst Mach ein scheinbar einfaches Problem vor, das Physikerinnen und Physiker mehr als ein Jahrhundert lang beschäftigen sollte. Was passiert, wenn man einen Sprinkler rückwärtslaufen lässt? Ein klassischer Sprinkler besteht aus gebogenen Düsen, die von einer drehbaren zentralen Achse abgehen. Strömt Wasser durch die Röhren nach außen, versetzt der Rückstoß das Gerät in Rotation. Doch was würde passieren, wenn man stattdessen Wasser durch die Auslässe in das Gerät hineinsaugt? Man sollte meinen, dass das Gerät sich dann einfach in die entgegengesetzte Richtung dreht. Doch so einfach ist es keineswegs: Es gibt keine überzeugende theoretische Begründung dafür, und unzählige Experimente konnten nicht einmal klären, ob der umgedrehte Sprinkler überhaupt rotiert.

Bisher ging man davon aus, dass Kühlen und Erhitzen im Prinzip das Gleiche seien. In beiden Fällen ändert sich die Temperatur, nur mit umgekehrtem Vorzeichen. Doch wie Forscher um Miguel Ibáñez der Universität Granada nun erstaunt festgestellt haben, scheint es zwischen beiden Prozessen einen fundamentalen Unterschied zu geben: Ein Objekt lässt sich demnach stets schneller erhitzen als abkühlen, zudem durchlaufe es beim Kühlen völlig andere Zustände.

Paper: Heating and cooling are fundamentally asymmetric and evolve along distinct pathways | PDF

Robustes „Ticken“: Physiker haben einen Zeitkristall erschaffen, der langlebiger und robuster ist als alle bisherigen Objekte dieser Art. Das regelmäßige „Ticken“ dieses Halbleiterkristalls hält über Stunden an – statt nur Millisekunden. Zudem sind die spontanen, regelmäßigen Spin-Oszillationen erstaunlich robust und vertragen auch Veränderungen der Experimentbedingungen, wie die Forschenden in „Nature Physics“ berichten. Dies könnte die Erforschung dieses physikalischen Phänomens weiter voranbringen.

Marie Curies radioaktiver Pavillon des Sources in Paris wird nun doch abgerissen, aber danach an anderer Stelle originalgetreu wiedererrichtet. Mit diesem Kompromiss endet der Streit um das von der Chemikerin Marie Skłodowska-Curie genutzte Gebäude. Ursprünglich sollte der kleine Backsteinpavillon einem neu zu gründenden Krebsforschungszentrum weichen. Nach Protesten aus Öffentlichkeit und Wissenschaft wurde das Vorhaben jedoch vom französischen Kulturministerium gestoppt, das daraufhin die Vermittlung aufnahm.

Älterer Post zum Thema: Verseuchtes Denkmal: Marie Curies radioaktives Labor darf stehen bleiben

Die Stilllegung einer der weltweit führenden Kernfusionsreaktoren hat begonnen, knapp 40 Jahre nach seiner Inbetriebnahme. Fachleute werden den voraussichtlich 17 Jahre dauernden Abbau des Joint European Torus (JET) in der Nähe von Oxford in noch nie da gewesener Ausführlichkeit untersuchen – und die Erkenntnisse nutzen, um künftige Fusionskraftwerke sicher und effizient zu gestalten.

Molekulares Ticken: Physikern ist es erstmals gelungen, das molekulare Altern von nichtkristallinen Materialien wie Glas und Kunststoff live zu beobachten und zu messen. Typisch für dieses Altern ist das immer langsamere „Ticken“ der Materialzeit – die Moleküle verändern nicht mehr so schnell ihren Platz im Ensemble. Diesen Effekt haben die Forschenden nun erstmals nachgewiesen, wie sie in „Nature Physics“ berichten. Dabei entdeckten sie jedoch auch ein überraschendes, nicht von der Theorie erfasstes Phänomen.

Verlinktes Paper ist nicht frei zugänglich!

Aber auf arXiv (möglicherweise Vorveröffentlichung): Time-reversibility during the aging of materials | PDF

Bisher hatten Fachleute solche Suprafestkörper-Merkmale lediglich in exotischen Quantengasen erzeugen können. Das nun vorgestellte Material dagegen ist ein Natrium-Barium-Kobaltphosphat mit der Summenformel Na2BaCo(PO4)2 (NBCP). In diesem sind die ungepaarten Elektronen in einem dreieckigen Gitter angeordnet. Das Material ist antiferromagnetisch, das heißt, jeweils benachbarte ungepaarte Elektronen haben entgegengesetzte Spins. In einem dreieckigen Gitter können jedoch nicht alle drei Elektronen jeweils den entgegengesetzten Spin zum Nachbarn haben – man bezeichnet ein solches Spingitter, das keine stabile Anordnung annehmen kann, als frustriert. Solche Gitter bringen eine ganze Reihe exotischer quantenmagnetischer Effekte hervor. Unter anderem sagte 2022 eine Arbeitsgruppe vorher, dass in NBCP ein Spin-Suprafestkörper existieren sollte.

Paper mal wieder nicht frei verfügbar.

Forscher haben erstmals eine ultraflache Metalinse hergestellt, die groß und scharf genug ist, um selbst astronomische Aufnahmen zu erstellen – und die leicht massenproduzierbar ist. Möglich wird dies dank 18,7 Milliarden Nanosäulchen, die mithilfe eines gängigen Lithografie-Verfahrens in das Glas der Linse eingeprägt wurden. Die Auflösung der zehn Zentimeter großen Linse ist hoch genug, um Mond, Sonnenflecken und Sternennebel abzubilden. Solche Meta-Linsen könnten beispielsweise in Raumsonden oder bei der optischen Datenübertragung eingesetzt werden.

Elektronen mit „Übergewicht“: Physiker haben erstmals ein zweidimensionales Schwerfermionen-Metall erzeugt – eine nur wenige Atome dicke Metalllegierung mit ungewöhnlichen Eigenschaften. In dieser nun in „Nature“ vorgestellten 2D-Variante eines „Strange Metal“ sind Elektronen auf spezielle Weise an Magnetspins gekoppelt. Dadurch scheinen sie eine bis zu tausendfach größere Masse zu haben als normal – und dies verleiht dem Metall exotische elektrische und thermische Merkmale.

Gekühlter Schall: Physikern ist es gelungen, Schallwellen in Glasfasern Energie zu rauben und sie bis auf minus 199 Grad abzukühlen – allein durch die Interaktion mit Licht. Möglich wurde dieser Kühleffekt durch die optimierte Kopplung der akustischen Wellen an optische Laserpulse. Dabei überträgt der Schall seine Energie an das Licht und kühlt ab. Dies beseitigt einen großen Teil des akustischen Störrauschens und stärkt die Lasersignale. Das könnte der Quantenkommunikation, aber auch der quantenphysikalischen Grundlagenforschung zugutekommen.

Paper: Optoacoustic Cooling of Traveling Hypersound Waves | PDF

Der aus Deutschland emigrierte Physiker Arno Penzias wies 1967 die kosmische Hintergrundstrahlung nach, die als Beweis für die Urknalltheorie gilt.

Neben dem Nobelpreis in Physik erhielt Penzias weitere diverse weitere Ehrungen, auch in Deutschland: So wurde 2019 in Nürnberg ein 3-Meter-Radioteleskop nach ihm benannt.

Penzias starb am 22. Januar 2024 an Komplikationen der Alzheimer-Krankheit. Er wurde 90 Jahre alt.

Sprich: Wir haben mit neuen mathematischen und physikalischen Methoden zwei bisher unbekannte Phasen von Supraleitern vorhergesagt – eine davon scheint extrem viel versprechend für die Entwicklung von Quantencomputern.

Die zwei bisher unbekannten Phasen blieben so lange verborgen, weil ihre korrekte Berechnung bisher extrem aufwändig war. Der Grund dafür liegt in der enormen Anzahl von Elektronen in einer Materialprobe; typischerweise reden wir hier von etwa 10^23 Teilchen.

In einer im Dezember 2021 im »Journal of Scientific Computing« veröffentlichten Arbeit sowie einer Folgearbeit in der Fachzeitschrift »Nonlinearity« haben wir eine exakte Formel vorgestellt, mit der sich diese riesige Summe auf einem handelsüblichen Laptop berechnen lässt. Unsere Methode ist eine Verallgemeinerung der 300 Jahre alten Euler-Maclaurin-Summenformel für langreichweitige Wechselwirkungen im dreidimensionalen Raum.

Unsere neue Gleichung zur Berechnung der Energielücke von Supraleitern enthält die epsteinsche Zetafunktion, die sowohl die langreichweitige Wechselwirkung als auch die mikroskopische Struktur des Materials berücksichtigt. Damit konnten wir das Phasendiagramm von Supraleitern erweitern und untersuchen, wie sich die exotischen Materialien verhalten, wenn die Elektronen über lange Distanzen hinweg miteinander interagieren. Unsere neuen Erkenntnisse, vor allem der Fund der besonders stabilen topologischen Phase, könnte anderen Forschungsfeldern wie der Entwicklung von Quantencomputern einen großen Schub verleihen.

Paper:

• Exact continuum representation of long-range interacting systems and emerging exotic phases in unconventional superconductors | PDF
• On the Efficient Computation of Large Scale Singular Sums with Applications to Long-Range Forces in Crystal Lattices | PDF