Physik

Terahertz-Spektroskopie widerlegt Annahmen zur Wasserstruktur bei hohem Druck und Hitze

Anders als gedacht: Neue Analysen haben die Struktur von überkritischem Wasser geklärt. Diesen exotischen Zustand nimmt Wasser bei hohem Druck und Hitze ein, beispielsweise in heißen Tiefengewässern oder hydrothermalen Schloten. Bisher war jedoch strittig, ob die Wassermoleküle dabei weiterhin durch Wasserstoffbrückenbindungen verknüpft sind oder nicht. Die Terahertz-Analyse widerlegt nun bisher gängige Annahmen dazu, wie Forschende in „Science Advances“ berichten.

Paper: Random encounters dominate water-water interactions at supercritical conditions | PDF

Angeregter Diamant wird zu einem Quasikristall in der Zeit statt im Raum

Geordnet, aber nicht gleichmäßig: Physiker haben erstmals einen Diamanten zum Zeit-Quasikristall gemacht. Seine Gitterfehlstellen schwingen in der für Quasikristalle typischen Ordnung – aber in der Zeit statt im Raum. Dadurch entstehen sich überlagernde Vibrationen im Diamanten, deren komplexes Muster musikalischen Akkorden ähnelt. Der neue Zeit-Quasikristall erweitert damit die Palette der Zeitkristall-Phänomene – und könnte vielleicht sogar nützlich sein.

Paper: Experimental Realization of Discrete Time Quasicrystals | PDF

Exotische Phänomene an den Grenzen der Chemie und Physik

Ob kaltes Feuer, metallischer Wasserstoff oder aufwärts fließende Suprafluide: Sowohl in der Chemie als auch in der Physik kommt es immer wieder zu exotischen Phänomenen, die den Gesetzen der Natur zu trotzen scheinen. Doch wie entstehen sie? Wozu sind sie gut? Und welche Widersprüche gibt es?

• Das Spiel mit dem kalten Feuer - Wie zwei zufällige Entdeckungen Autos effektiver machen könnten
• Fast ein Wissenschaftskrimi: Metallischer Wasserstoff - Wir haben metallischen Wasserstoff! Oder auch nicht.
• Flüssigkeit ohne Reibung: Suprafluide - Durch Kapillaren, an Wänden hoch und ewig in Bewegung
• Stark, stärker, Supersäuren - Wenn selbst Edelgase reagieren

Auf einer Seite lesen: Molekulare Grenzgänger

Physiker belegen erstmals Verhaltensunterschiede bei einem Materiebaustein und seinem Antiteilchen

Physik-Meilenstein: Physiker haben erstmals einen Unterschied zwischen Antimaterie und Materie bei einem Baryon nachgewiesen – einem der Bausteine aller Materie. Der signifikante Symmetriebruch zeigte sich bei Zerfällen im Teilchenbeschleuniger LHC am Forschungszentrum CERN. Dabei verhielt sich ein „schwererer Bruder“ des Protons, das sogenannte Beauty-Lambda-Baryon, anders als sein Antimaterie-Gegenpart. Dieser wichtige Durchbruch könnte helfen, das kosmische Antimaterie-Rätsel zu lösen.

Paper: Observation of charge-parity symmetry breaking in baryon decays | PDF

Wie Heisenberg, Schrödinger und Co unsere Sicht der Welt revolutionierten

Im Jahr 1925 begann die vielleicht folgenreichste Revolution unseres Weltbilds: Physiker entwickelten die ersten Quantentheorien – und versuchten damit die verwirrenden Phänomene der Quantenwelt zu erklären. Doch wo lag das Problem? Warum gab es jahrelang Streit? Und welche Rolle spielte eine Berghütte?

• Die Vorgeschichte - Planck, Einstein und das Wirkungsquant
• Von Wellen und Teilchen - Bohr, Compton und ein Dualismus
• Das Jahr 1925 - Heisenberg, Schrödinger und die Geburt der Quantentheorie(n)
• Die Kopenhagener Deutung - Theorienstreit, Unschärfe und eine entscheidende Konferenz

Auf einer Seite lesen: Die Entdeckung der Quantenwelt

Wie Chemie und Physik regelmäßige Muster auf Germanium-Chips bilden

Überraschendes Phänomen: Durch Zufall haben Forschende mysteriöse Spiralmuster auf der Oberfläche von Halbleitern aus Germanium entdeckt. Die Muster entstehen bei einer ätzenden Reaktion, wobei mechanische Kräfte mit einem chemischen Katalysator zusammenwirken, wie Tests ergaben. Diese spontane Musterbildung in chemischen Feststoffen könnte künftig helfen, neue Halbleiter zu produzieren sowie andere Prozesse wie die Rissbildung in Materialien zu verstehen.

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Beim Öffnen einer Bierflasche mit Bügelverschluss entsteht ein charakteristisches "Plopp"-Geräusch. Dieses Geräusch resultiert aus einer stehenden Welle im Flaschenhals, die durch die schlagartige Ausdehnung des Kohlendioxid-Luft-Gemisches verursacht wird. Dabei fällt die Temperatur kurzzeitig auf bis zu minus 50 Grad Celsius, und der Lärmpegel im Flaschenhals kann so laut wie eine Flugzeugturbine sein.

Die Forscher um Max Koch von der Georg-August-Universität Göttingen untersuchten den Vorgang mit einer High-Speed-Kamera und fluiddynamischen Modellen. Sie fanden heraus, dass die stehende Welle das "Plopp"-Geräusch erzeugt, obwohl die Modelle einen weiteren Ton vorhersagten, der in den Experimenten nicht nachweisbar war.

Das Überlaufen von Bier beim Öffnen wird durch den abnehmenden Druck und die Bewegung beim Öffnen verursacht, was zur Bildung von Kohlensäurebläschen führt. Trotz einiger ungeklärter Fragen liefert die Studie wertvolle Einblicke in die Physik hinter dem alltäglichen Phänomen.

-- Zusammenfassung durch Le Chat - Mistral AI

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Magnetische Monopole galten als unmöglich, da sie angeblich andere Teilchen spalten. Neue Forschungen zeigen jedoch, dass diese Annahme falsch war. Die Teilchenfragmente setzen sich wieder zu ganzen Teilchen zusammen, was die Monopol-Theorie rettet.

Monopole könnten viele physikalische Rätsel lösen, wie die Vielfache der Elektronenladung oder die Natur der Dunklen Materie. Bisherige Berechnungen führten zu bruchstückhaften Teilchenzahlen, sogenannten Semitonen, die nie beobachtet wurden.

Die neuen Berechnungen zeigen, dass Fermionen sich ungehindert an Monopolen vorbeibewegen, ohne zu zersplittern. Dies bedeutet, dass es mehr Monopole geben könnte als gedacht, da sie andere Teilchen kaum beeinflussen. Die Ergebnisse könnten die bisherigen Annahmen über die Anzahl der Monopole widerlegen.

-- Zusammenfassung durch Le Chat - Mistral AI

Paper: Monopole-Fermion Scattering and the Solution to the Semiton–Unitarity Puzzle | PDF

Forscher haben einen Durchbruch in der Optik erzielt, indem sie Licht in Echtzeit manipulieren können. Durch ultraschnelle Materialveränderungen können sie erstmals Richtung und Energie von Photonen präzise steuern.

Das Team um Dr. Marcello Ferrera nutzte transparente leitfähige Oxide (TCOs), um ultradünne Filme zu erzeugen, die auf Lichtimpulse im Femtosekundenbereich reagieren. Diese dynamischen Materialien ermöglichen eine effizientere Informationsverarbeitung, da sie unterschiedliche Lichtfarben gleichzeitig nutzen und Energieverluste reduzieren.

Die Technologie könnte die Rechengeschwindigkeit erheblich erhöhen und den Energieverbrauch senken, was besonders für Rechenzentren und KI-Systeme vorteilhaft ist. Die Entdeckung legt die Grundlage für eine neue Generation optischer Bauteile, die ohne elektrische Signale auskommen.

-- Zusammenfassung durch Le Chat - Mistral AI

Paper: Spatio-spectral optical fission in time-varying subwavelength layers | PDF

Erstmals beobachtetes Phänomen erklärt erhöhten Energieaufwand der Elektrolyse

Erwischt: Forscher haben Wassermoleküle bei der Elektrolyse beobachtet – und dabei erstmals auch die Molekülausrichtung live verfolgt. Dies enthüllte, dass die H2O-Moleküle erst ab einer bestimmten Spannung in die Position umkippen, die für die Sauerstoffabspaltung nötig ist. Das könnte erklären, warum dieser Schritt mehr Energie kostet als er dürfte, wie das Team in „Science Advances“ berichtet. Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, die Elektrolyse und damit die Wasserstofferzeugung zu optimieren.

Paper: Quantifying Stern layer water alignment before and during the oxygen evolution reaction | PDF

Physiker weisen erstmals Wirbel aus dem orbitalen Bahndrehimpuls von Elektronen nach

Exotische Quantenwirbel: Physiker haben ein neuartiges Quantenphänomen in einem Halbmetall nachgewiesen – eine Art Quantentornado aus dem orbitalen Bahndrehimpuls von Elektronen. Die Existenz solcher Quantenwirbel wurde zwar theoretisch vorhergesagt, aber erst jetzt gelang der experimentelle Nachweis. Die im Tantalarsenid beobachteten Wirbel belegen, dass auch Elektronen in einem Festkörper ähnliche Spiralmuster bilden können wie die Photonen des Lichts.

Paper: Imaging Orbital Vortex Lines in Three-Dimensional Momentum Space | PDF

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Zusammenfassung durch Le Chat - Mistral AI:

Der indische Seiltrick, bei dem ein Seil scheinbar magisch in die Höhe steigt, ist legendär, aber nie überzeugend aufgeführt worden. Mit Physik lässt sich jedoch ein ähnliches Phänomen erzeugen.

Ein Kunstfaserband, in Schleifen gelegt und unter Spannung gebracht, kann durch Ziehen an einem Ende eine Kraft erzeugen, die es in die Höhe schießen lässt. Dieses Prinzip nutzt die elastische Energie des gefalteten Bands.

Für den Trick wird das Band in einer Schale zu vertikalen Schlaufen gelegt und dann hochgezogen. Die Reaktionskraft der Unterlage beschleunigt das Entfalten des Bands, sodass es wie eine Fontäne aufsteigt.

Dieses Experiment zeigt eindrucksvoll die physikalischen Kräfte hinter dem scheinbar magischen Effekt. Es funktioniert am besten mit biegesteifen Bändern und einer hohen Schale, um die Fontäne möglichst lange zu genießen.

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Zusammenfassung durch Le Chat - Mistral AI:

Forscher haben untersucht, wie die Energie unseres Körpers, etwa durch Bewegung oder Wärme, genutzt werden könnte, um elektronische Geräte wie Smartphones zu laden. Eine Studie aus den USA berechnete, dass piezoelektrische Schuheinlagen bis zu 2,5 Watt Energie pro Schritt erzeugen könnten. In der Praxis lieferten Experimente jedoch deutlich weniger Energie, sodass sich keines der Konzepte durchsetzte. Trotz faszinierender Ansätze bleibt der E-Schuh bisher in Forschungseinrichtungen und ist nicht marktreif.

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Zusammenfassung durch Le Chat - Mistral AI:

Forscher der Northwestern University haben das Rätsel um die Überspannung bei der Wasserelektrolyse gelöst. Sie fanden heraus, dass die Grenzschicht zwischen Elektrode und Wasser eine entscheidende Rolle spielt.

Die Wassermoleküle ordnen sich an der Grenzschicht und müssen erst umklappen, bevor die Reaktion startet. Dies erklärt, warum mehr Energie benötigt wird als theoretisch erwartet.

Diese Erkenntnisse könnten die Effizienz der Wasserelektrolyse verbessern, indem der pH-Wert der Lösung angepasst oder Elektroden entwickelt werden, die das Umklappen der Wassermoleküle erleichtern.

Paper: Quantifying Stern layer water alignment before and during the oxygen evolution reaction | PDF

Eine logische Schaltung aus Molekülen hat zum ersten Mal Eigenschaften eines Quantencomputers gezeigt. Damit wäre ein solcher Aufbau praktisch nutzbar.

Nach gut 50 Jahren belegt: Wasserstoffmoleküle können bei extrem tiefen Temperaturen in den exotischen Zustand der „Superfluidität“ übergehen – sie werden zu einer reibungsfreien Quantenflüssigkeit, wie ein Experiment nun erstmals bestätigt. Bisher war unklar, ob Wasserstoff superfluid werden kann, weil er schon vor dem Erreichen der kritischen Temperatur gefriert. Doch sehr kleine Tröpfchen mit weniger als 20 Wasserstoffmolekülen können trotzdem superfluid werden, wie die Physiker in „Science Advances“ berichten.

Paper: Exploring molecular superfluidity in hydrogen clusters | PDF

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TLDR von Le Chat - Mistral AI:

Forscher haben eine neue Form von Eis entdeckt, genannt "plastisches Eis VII", das sowohl feste als auch flüssige Eigenschaften aufweist. Diese besondere Eisform könnte im Inneren von Planeten und Monden existieren und gibt Einblicke in deren Entwicklung.

Unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen zeigen die Wassermoleküle in plastischem Eis VII ein hybrides Verhalten: Sie bleiben an ihrem Platz, können aber frei rotieren wie in einer Flüssigkeit. Dieses Verhalten wurde durch Neutronenstrahl-Experimente und Computermodelle nachgewiesen.

Die Entdeckung könnte Hinweise auf die Entstehung und Entwicklung von Eismonden oder Eisplaneten liefern. Es bleibt jedoch unklar, wie genau das Material entsteht und ob es eine Zwischenstufe zu einer noch exotischeren Eisform darstellt.

Die Kombination aus MRT und Mikroskop lässt Quantenphysik und Bildgebung zusammenarbeiten, so dass Zellen und Moleküle sichtbar werden.

Paper: Optical widefield nuclear magnetic resonance microscopy | PDF

Schwerster Atomkern mit geschlossenen Kernschalen ist doch nicht kugelförmig

Atomare Überraschung: Der schwerste stabile Atomkern verhält sich anders als erwartet. Denn das Isotop Blei-208 ist elliptisch wie ein Rugbyball statt perfekt kugelförmig, wie ein Experiment enthüllt. Dies widerspricht theoretischen Modellen für solche Atomkerne mit einer „magischen Zahl“ von Neutronen und Protonen; Sie müssten besonders stabil und symmetrisch sein. Warum dies beim Blei-208 nicht der Fall ist, ist ebenso überraschend wie rätselhaft – und bringt die Physik in Erklärungsnöte.

Paper: Deformation and Collectivity in Doubly Magic Pb208 | PDF

Gemächlich fällt eine Schneeflocke vom Himmel und gesellt sich unauffällig zu ihren Artgenossen auf dem Hausdach. Eine weitere Flocke fällt, dann noch eine, und dann noch ein paar Millionen mehr, bis das ganze Dach wie von einem weißen Tuch bedeckt ist. Aber, so heißt es, selbst wenn mehrere Milliarden Schneeflocken vom Himmel fallen – nie sei ein Schneekristall wie der andere. Jeder sei für sich einzigartig – so wie der Mensch. Stimmt das?

Typisch Physiker: Alles ist Definitionssache:

[...] sei das Problem viel komplexer, erläutert Libbrecht: „Es hängt davon ab, was man mit gleich meint und was mit dem Wort Schneekristall.“

Experiment findet fehlendes Puzzlestück zur elektrostatischen Aufladung von Materialien

Geladene Entdeckung: Physiker haben eine seit Jahrhunderten rätselhafte Frage zur elektrostatischen Aufladung geklärt – dem Effekt, der uns beim Griff an die Türklinke einen Schlag versetzt. Ihr Experiment enthüllte erstmals, welcher Faktor über die Art und Stärke der Kontaktelektrizität bei nichtmetallischen Materialien entscheidet. Demnach spielt die Kontakt-Vorgeschichte dafür eine entscheidende Rolle – Materialien haben ein „Kontaktgedächtnis“, wie das Team in „Nature“ berichtet. Was aber steckt dahinter?

Paper: Spontaneous ordering of identical materials into a triboelectric series | PDF

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Zusammenfassung mit Le Chat - Mistral AI:

Forscher um Joseph Smolsky von der Colorado School of Mines haben erstmals die Größe eines Neutrinos direkt gemessen. Neutrinos sind extrem leichte, elektrisch neutrale Teilchen, die kaum mit ihrer Umgebung wechselwirken, was ihre Erforschung erschwert. Die Studie zeigt, dass Neutrinos eine Ausdehnung von mindestens 6,2 Pikometern haben – das ist 100-mal größer als ein Atomkern. Diese Erkenntnis wurde durch die Analyse des radioaktiven Zerfalls von Beryllium zu Lithium gewonnen, bei dem Neutrinos entstehen und mit hochempfindlichen Detektoren gemessen wurden. Die Ergebnisse überraschten die Forscher, da sie zeigen, dass Neutrinos größer sind als bisher angenommen. Diese Entdeckung könnte helfen, zukünftige Neutrino-Detektoren zu verbessern und mehr über diese geisterhaften Teilchen zu erfahren.

Paper: Direct experimental constraints on the spatial extent of a neutrino wavepacket | PDF