Die Elektronen in einem Atom oder Molekül können uns viele Informationen über dieses Element oder Material geben. Beispielsweise bilden die Atome, aus denen Tafelsalz Natriumchlorid besteht, kubische Kristalle, da die beiden Elemente Elektronen teilen.
VERBINDUNG: WISSENSCHAFTLER LÖSEN 80 JAHRE ALTES GEHEIMNIS ÜBER FERROELEKTRISCHE MATERIALIEN
Exotische Eigenschaften eines Materials
Möglicherweise ist die am meisten nachgefragte Eigenschaft eines Materials Supraleitung . Hier hat der Stoff beim Abkühlen unter eine bestimmte kritische Temperatur keinen elektrischen Widerstand.
Supraleitung wurde erstmals vom niederländischen Physiker in Quecksilber entdeckt Heike Kamerlingh Onnes 1911.
Im Allgemeinen sinkt der elektrische Widerstand eines metallischen Leiters, wenn die Temperatur gesenkt wird, aber sogar nahe dem absoluten Nullpunkt Null Kelvin , Minus 459,67 Grad Fahrenheit, Minus 273,15 Grad Celsius es gibt einen gewissen Widerstand. In einem Supraleiter fällt der Widerstand abrupt auf Null ab, wenn das Material unter seine kritische Temperatur abgekühlt wird.
Theoretisch kann ein elektrischer Strom durch eine Schleife aus supraleitendem Draht, der auf seine kritische Temperatur abgekühlt wird, ohne Stromquelle unbegrenzt bestehen bleiben.
Zwei Experimente, gleiches Verhalten
2018 untersuchten zwei unabhängige Forschungsgruppen das Verhalten von Elektronen in einem Kristall durch zweidimensionales Design. Antiferromagnete . Dies sind Materialien, bei denen die magnetische Momente ihrer Atome oder Moleküle, die normalerweise mit den Spins ihrer Elektronen zusammenhängen, richten sich bei niedrigen Temperaturen in einem regelmäßigen Muster aus, wobei benachbarte Spins auf verschiedenen Untergittern in entgegengesetzte Richtungen zeigen, so dass sie fast keinen groben externen Magnetismus aufweisen.
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Elektronen gemeinsam ahmte die Magnetfeldschwankungen der nach Higgs-Boson . Das Higgs-Boson ist ein Elementarteilchen in der Standardmodell von Partikeln, die durch die Quantenanregung von erzeugt wird Higgs-Feld . In a 1993 Buch Der frühere Fermilab-Direktor Leon Lederman nannte die theoretischen Higgs "das Gott-Teilchen".
Das Feld und das Teilchen sind nach dem britischen Physiker benannt. Peter Higgs der 1964 den Mechanismus vorschlug, um zu erklären, warum einige Partikel Masse haben. Die Existenz des Higgs-Bosons wurde 2012 durch die Zusammenarbeit von ATLAS und CMS bei der Großer Hadron Collider am CERN.
In dem Video unten, in dem die Entdeckung des Higgs-Bosons angekündigt wird, tupft Professor Higgs nach 48 Jahren Wartezeit auf die Bestätigung seiner Theorie auf seine Augen.
Am 10. Dezember 2013 hat Peter Higgs zusammen mit François Englert wurden für ihre theoretischen Vorhersagen des Higgs-Bosons mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Um die Elektronen dazu zu bringen, sich wie Higgs-Bosonen zu verhalten, bombardierten die Forscher das Material mit Neutronen. Die Magnetfelder der Elektronen begannen auf eine Weise zu schwanken, die mathematisch dem Higgs-Boson ähnelte.
Eine Forschungsgruppe wurde geleitet von David Alan Tennant und Tao Hong im Oak Ridge National Laboratory. Die andere Gruppe wurde geleitet von Bernhard Keimer am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung.
Keimers Gruppe stellte fest, dass das Verhalten ihres Materials dem Verhalten des Higgs-Bosons in einem Teilchenbeschleuniger wie dem Large Hadron Collider ähnlich war. Dort zerfällt das Higgs-Boson schnell in andere Teilchen wie Photonen.
Innerhalb von Keimers Antiferromagnet verhielten sich die Elektronen wie Partikel, die als bezeichnet werden. Goldstone-Bosonen . Das von Tennants Gruppe erstellte Material erzeugte einen Higgs-Modus, der nicht zerfällt.
Ein Quantenphasenübergang
Ziel beider Gruppen ist es, a Quantenphasenübergang wo sich die Eigenschaften eines Materials dramatisch ändern können. Im Gegensatz zu einem Standardphasenübergang, z. B. wenn sich Wasser von einer Flüssigkeit zu einem Feststoff ändert, tritt ein Quantenphasenübergang auf, wenn ein physikalischer Parameter wie z. B. Magnetfeld oder Druck - variiert bei absoluter Nullpunkt Temperatur
Keimers Gruppe hofft, einen Quantenphasenübergang und andere seltsame Eigenschaften von Materie zu beobachten, die mit dem Higgs-Modus verbunden sind. Sprechen mit Quanta Magazine , sagte Tennant, "Unser Gehirn hat keine natürliche Intuition für Quantensysteme. Die Erforschung der Natur ist voller Überraschungen, weil sie voller Dinge ist, die wir uns nie vorgestellt haben."