Tiefgefrorenes Plasma - the Max Planck Institute for the Physics of

FOKUS
PLASMA
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Tiefgefrorenes
Plasma
INSTITUT
FÜR
KOMPLEXER
Temperatur [K]
Plasmen nahe am absoluten
Nullpunkt der Temperatur
untersuchen JAN MICHAEL
ROST und seine Mitarbeiter am MAX-PLANCKPHYSIK
SYSTEME –
46
MA
X
P
LA N C K
F
O R SCHUNG
1/2008
KOMPLEXER
P HYSIK
FÜR
MPI
UNTEN :
P HYSIK / A BB .
FÜR EXTRATERRESTRISCHE
MPI
OBEN :
A BB .
P HYSIK (2)
FÜR EXTRATERRESTRISCHE
haupt auf der ISS forschen lassen.
Denn der nicht mal hüfthohe
schwarze Metallcontainer, in dem
sie ihre Plasmakammer, die Elektroden, Laser und Gasflaschen und
die übrige Ausrüstung verpackten,
gelangte mit einer russischen Progress-Rakete zur ISS. Sie waren daher nicht von den Verzögerungen betroffen, die nach
dem Unglück der Raumfähre
Columbia den Start des europäischen Labors Columbus
behinderten. Umso beliebter
sind die Versuche mit den
komplexen
Plasmen und
Plasmakristallen bei den
Kosmonauten und Astronauten: Thomas Reiter betonte in einem Interview mit
dem SPIEGEL, wie sehr ihn
Wie Turbulenzen (kleines Bild links oben) entdiese Versuche beeindruckt stehen, lässt sich untersuchen, wenn ein komplexes
hätten. Und einer der rus- Plasma um ein Hindernis strömt. Der laminare Fluss
sischen Kosmonauten hat es franst dann immer mehr aus (Bild rechts unten).
F OTO : A XEL G RIESCH / A BB .: MPI
Ab durch die Düse: An der Engstelle verdichtet
sich der Teilchenstrom und wird beschleunigt.
sogar vorgezogen, mit den komplexen Plasmen zu experimentieren
statt sich vor dem vorgesehenen
Ruhevideo zu entspannen.
Dabei drangen die Wissenschaftler von grundlegenden Prozessen
wie der Kristallisation eines komplexen Plasmas schnell zu ausgefalleneren Phänomenen vor. Zum Beispiel
zu
elektrorheologischen
Flüssigkeiten, welche die Physiker
kurz ER-Flüssigkeiten nennen. Sie
erstarren in einem starken elektrischen Feld und finden unter anderem in der Hydraulik oder in
Stoßdämpfern Anwendung. Sie bestehen aus einer neutralen Flüssigkeit und elektrisch aktiven Partikeln.
Die elektrischen Ladungen dieser
Teilchen lassen sich in einem elek-
Als Jan Michael Rost im Alter von 37 Jahren Direktor des Dresdner Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme wurde,
hatte er bereits etwas Ungewöhnliches geleistet: Er hatte beschrieben, was passiert,
wenn ein Helium-Atom seine beiden Elektronen verliert. Das allein ist noch nichts
Besonderes, denn Helium ist das zweiteinfachste Atom in der Natur und dementsprechend eingehend untersucht. Doch Rost war
es gelungen, die hierbei auftretenden Prozesse analog eines Phasenübergangs, etwa
von fest nach flüssig, mit den Gesetzen der
klassischen Physik zu beschreiben – also
ohne die Quantenmechanik, mit der Physiker solche Prozesse gewöhnlich beschreiben.
Diese Arbeitsweise hat er bei seiner heutigen Forschung beibehalten – und das mit
großem Erfolg. Doch heute geht es Rost
nicht um die Vorgänge in einem einzelnen
Atom, sondern um das Verhalten einer
großen Zahl von ionisierten Atomen, und
die bilden – ganz dem Namen des Instituts
entsprechend – ein wahrhaft komplexes
System.
„Komplexe Systeme bewegen sich auf
der Grenze zwischen Regelmäßigkeit und
Chaos“, umschreibt Rost seinen Forschungsgegenstand. Sie verhalten sich oft
in unerwarteter Weise, zeigen einerseits
ein schwer vorhersagbares nicht lineares
Verhalten und können sich andererseits
selbst organisieren.
Plasmen bilden solche komplexen Systeme.
In den angestammten Gebieten wie der
Astrophysik oder der Fusionsforschung
überwiegt das typische Verhalten eines
Gases – Selbstorganisation kommt nicht
vor. Und doch, so sagen Rechungen von
Rost und seinem Kollegen Thomas Pohl voraus, sollte es das in ultrakalten Plasmen
geben.
„Grundlage der Theorie ist der Wettstreit
zweier Kräfte, die zwischen den Plasmateilchen wirken“, erklärt Rost. Ein Plasma ist
normalerweise so heiß, dass die Atome
S YSTEME - T HOMAS P OHL
auch in Kristallform.
Inzwischen lassen die Garchinger Physiker in einem gebogenen Glasrohr komplexe
Plasmen durch eine Düse strömen, wie sie Martin Fink vor dem Versuchsaufbau präsentiert.
eines oder mehrere ihrer Elektro„Für Physiker, die mittlerweile Vornen verloren haben und so zu po- 106
gänge im Innern von Atomen mit eisitiv geladenen Ionen geworden
ner Zeitauflösung von einer billionstel
sind. Zwischen ihnen wirkt desSekunde und weniger studieren, ist
halb die elektrische Coulombdas ein sehr langer Zeitraum“, sagt
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10
Kraft. Gleichzeitig bewegen
Rost. Tatsächlich nehmen die Forscher
sich die Ionen wegen der hodas Plasma mit einer gewöhnlichen,
hen Temperatur sehr schnell.
wenn auch sehr schnellen CCD-Kame102
In den normalen Plasmen aus
ra auf und können so die Entwicklung
atomaren Ionen ist die Bewedes Plasmas verfolgen.
gungsenergie – anders als in
Was Rost besonders fasziniert, ist
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Plasmen aus Mikropartikeln –
die Tatsache, dass mit dieser Technik
selbst bei Raumtemperatur viel
Plasmaphänomene auf atomarer Ebegrößer als die Coulomb-Energie.
ne leicht zugänglich werden. „Wir un10-2
Deshalb flitzen die Ionen ungetersuchen Plasmen gewissermaßen in
ordnet hin und her. Senkt man
Zeitlupe unter einem Vergrößerungsnun die Temperatur des Plasmas
glas“, so Rost. Die Ergebnisse – und
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ab, so wird die Bewegungsenerdas ist eine der Hauptmotivationen
gie immer kleiner, bis sie irgendfür diese Forschung – sind auf andere
wann etwa so groß ist wie die
Plasmen übertragbar.
10-6
Coulomb-Energie.
Die Experimentatoren in Frankreich
100 103 106 109 1012 1015 1018 1021 1024 1027
Jetzt gewinnen die elektrischen
und den USA haben das Plasma bereits
Dichte [cm-3]
Kräfte die Oberhand. Sie sorgen Plasmen gibt es bei sehr unterschiedlichen Temperaturen und
so weit abgekühlt, dass es beginnt,
für Ordnung, zunächst zwischen Dichten: Das Sonnenzentrum ist viele Millionen Grad heiß und
flüssigkeitsähnliches Veralten anzubenachbarten Ionen, wie es für extrem dicht. Ultrakalte Plasmen existieren knapp über dem
nehmen. Können sie die Temperatur
Flüssigkeiten typisch ist. Sobald absoluten Nullpunkt der Temperatur und sind recht dünn.
noch weiter drücken, lagern sich die
die Coulomb-Energie genau
Ionen auf ineinander geschachtelten
174-mal stärker ist als die BeweKugelschalen an – das sagen zumingungsenergie, sollte sich den Rechdest Rosts Rechnungen voraus. Ob sie
nungen von Rost und seinen Kollegen
es tatsächlich tun, wollen die Physiker
zufolge ein Plasmakristall bilden.
kontrollieren, indem sie die PlasmaSo weit abkühlen lassen sich Plasmen
wolke durchleuchten. Das Licht sollte
mit einer Kombination aus Laserkühin einer Kamera dann ein ringförmiges
lung und magneto-optischen Fallen,
Muster erzeugen.
die Atome und Moleküle in vielen
Plasmakristalle sind keine Spielerei,
Bereichen der Tieftemperaturphysik
sondern ermöglichen es, klassische
einfrieren. Die Experimente, zu denen
Theorien über das Verhalten von Gader Theoretiker Rost das Rezept beisen in Extrembereichen zu überprüsteuert, laufen an der Universität von
fen. So lässt sich zum Beispiel das
Paris in Orsay sowie an der Rice UniSchwingungsverhalten von Plasmen,
versity in Texas und der Universität
das in vielen anderen Experimenten
von Maryland.
beobachtet wurde, auf der atomaren
In magneto-optischen Fallen wird zuSkala studieren – ein Traum vieler
nächst ein Gas aus Atomen eingefanPhysiker.
gen und in mehreren Schritten abgeDarüber hinaus interessieren sich
kühlt. Dabei nutzen Physiker unter
auch Forscher am europäischen Teilanderem aus, dass Atome, die durch
chenlabor CERN für Rosts Ergebnisse,
Blick auf eine Kristallkugel: Bei sehr tiefen
einen Laserstrahl angeregt wurden
die
Antiwasserstoff
aus einem ultrakalten
Temperaturen erstarren die Ionen eines
und anschließend wieder ein Photon
Plasma
von Positronen und Antiprotonen
Plasmas und ordnen sich auf Kugelschalen an.
emittieren, einen Rückstoß spüren.
herstellen wollen. Einige Erkenntnisse
ultrakalten Gases ein Plasma. Das erwärmt
Erwischt sie dieser Stoß entgegen ihrer
könnten auch in die Forschung an dem
sich durch den Laserbeschuss schlagartig
Bewegungsrichtung, werden sie gebremst
Freie-Elektronen-Laser FLASH am DESY in
bis auf knapp ein Kelvin, was immer noch
und abgekühlt.
Hamburg einfließen. Beim Auftreffen auf
wesentlich kälter ist als die Temperatur
Wenn die nicht einmal einen KubikmillimeMaterie erzeugt FLASH extrem kurzlebige
eines herkömmlichen Plasmas. In der mater kleine, in Magnetfeldern hängende
Plasmen, die sich wie ultrakalte Plasmen
gneto-optischen Falle sinkt die Temperatur
Gaswolke bis auf etwa ein millionstel Grad
im Zeitraffer verhalten.
des Plasmas zudem schell wieder ab.
über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt
Doch im Wesentlichen betreiben Jan
Die Mini-Plasmawolke lebt auch nur für
ist, wird ein Laserpuls hineingeschossen.
Michael Rost und seine Kollegen Grundeine geringe Zeit. Sie dehnt sich aus und
In diesem Fall kühlt er die Wolke nicht
lagenforschung. Vielleicht, so meint er,
fällt aus der Magnetfalle heraus, denn
weiter ab, sondern heizt sie in einem kleiließen sich seine Ergebnisse über das dynadiese kann nur Atome gefangen halten,
nen Volumen kurzzeitig auf. Einige Atome
mische Verhalten der Ionen vom Chaos
nicht aber Ionen. Dennoch bleibt den
verlieren bei dem Beschuss ihre Elektronen,
zur Ordnung sogar einmal auf ganz andere
Physikern etwa eine millionstel Sekunde
die ihrerseits weitere Elektronen von den
Gebiete übertragen, zum Beispiel auf gelang
Zeit,
die
etwa
0,2
Millimeter
kleine,
umgebenden Atomen wegschießen. Diese
sellschaftliches Verhalten. Doch das ist eine
ultrakalte Plasmawolke zu studieren.
Elektronenlawine erzeugt im Innern des
ganz andere Geschichte.
THOMAS BÜHRKE
1/2008 MA
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