Widerspenstige Plasmen

08.08.2013 - Deutschland

Wissenschaftler der Universitäten Düsseldorf und Kiel haben ein überraschendes Resultat erzielt, das im Widerspruch zu gut bekanntem Lehrbuchwissen zu stehen scheint. Nach dem fundamentalen Bohr-van Leeuwen-Theorem ist der Zustand eines klassischen Vielteilchensystems unabhängig davon, ob ein Magnetfeld eingeschaltet ist oder nicht: Eine Flüssigkeit bleibt eine Flüssigkeit und ein Kristall bleibt ein Kristall. Dr. Torben Ott, Professor Michael Bonitz (Christian-Albrechts-Universität zu Kiel) und Professor Hartmut Löwen (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf) haben nachgewiesen, dass sich dieses Theorem „austricksen“ lässt.

Dazu untersuchten die Physiker mit exakten Computersimulationen eine Flüssigkeitsschicht aus geladenen Teilchen (Plasma) und kühlten diese schnell ab. Nach dem Lehrbuch-Theorem müsste die Flüssigkeit beim Senken der Temperatur kristallisieren, egal ob mit oder ohne Magnetfeld. „Wir haben die Flüssigkeit aber sehr schnell abgekühlt und in Verbindung mit einem starken Magnetfeld zeigte sich das unerwartete Resultat: Das System blieb für sehr lange Zeiten flüssig“, zeigt sich Löwen überrascht von den Ergebnissen.

Den Düsseldorfer und Kieler Wissenschaftlern gelang es auch, eine sehr einfache Erklärung zu finden: Durch die schnelle Abkühlung werden die Teilchen daran gehindert, den energetisch niedrigsten Zustand (Kristall) zu erreichen. „Sobald sie sich im Energiegebirge in Richtung Tal bewegen, werden sie vom Magnetfeld umgehend wieder abgelenkt. Die Teilchen umkreisen das Tal, erreichen es aber nicht“, ergänzt Bonitz.

Die Tatsache, dass ein kaltes System über sehr lange Zeit flüssig und damit sehr mobil bleiben kann, hat weitreichende Konsequenzen für eine Vielzahl von Systemen, in denen starke Magnetfelder vorkommen – vom Evolutionszyklus kompakter Sterne bis hin zu Flüssigkeiten im Labor.