Im Magnetfeld widerspenstig
„Flüssiges“ Plasma wehrt sich in Computersimulation gegen Kristallisierung bei Abkühlung.
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. Nun haben Forschern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf nachgewiesen, dass sich dieses Theorem „austricksen“ lässt.
Abb.: Trajektorie eines beliebigen Teilchens der Flüssigkeit; das Magnetfeld verhindert, dass das Energieminimum im Zentrum erreicht wird. (Bild: T. Ott)
Dazu untersuchten die Physiker mit Computersimulationen eine Schicht aus „flüssigem“ Plasma und kühlten diese schnell ab. Nach dem Lehrbuch-Theorem müsste das Plasma 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 einer der Forscher, Hartmut Löwen, überrascht von den Ergebnissen.
Den Düsseldorfer und Kieler Wissenschaftlern gelang es, eine sehr einfache Erklärung zu finden: Durch die schnelle Abkühlung werden die Teilchen daran gehindert, den energetisch niedrigsten Zustand eines Kristalls 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.
CAU Kiel / PH
