Physik Journal 1 / 2014

Ein ausgeschalteter Beschleuniger hat aber nichts mit Stillstand zu tun. Nicht umsonst lautet das Motto des CERN: „Accelerating Science“ und nicht „Finding the Higgs“. In der Betriebspause gilt es, den Upgrade der „Weltmaschine“ auf die Kollisionsenergie von 14 Teraelektronenvolt zu leisten. Bei dieser Energie hoffen die Forscher, mit dem LHC noch genauer auf das entdeckte Higgs-Boson oder noch tiefer in die „Quark-Gluon-Suppe“ des Protons blicken zu können. Doch dafür ist eine Herkulesaufgabe zu stemmen: Sie müssen mehr als zehntausend Hochstrom-Verbindungen zwischen den supraleitenden Beschleunigermagneten im 27 Kilometer langen Tunnel verstärken. Dabei ist höchste Sorgfalt gefordert, war es doch eine fehlerhafte Verbindung zwischen den Magneten, die den LHC im Herbst 2008 für mehr als ein Jahr lahmgelegt hatte. Die Auswertung der riesigen Datenmengen geht derweil weiter, und schon seit geraumer Zeit denkt die Teilchenphysik-Community über den nächsten und übernächsten Upgrade des LHC nach. Für eine um den Faktor fünf bis zehn höhere Kollisionsrate ab 2020 ist jedoch noch viel Entwicklungsarbeit nötig.

Der Schriftsteller Hans Magnus Enzensberger nannte das CERN einmal „Kathedrale der Wissenschaft“, nicht nur wegen der Ausmaße, sondern auch, weil so viele Beteiligte für Projekte arbeiten, die erst nach Jahren Früchte tragen. Diese Kathedrale ist meist vom profanen Krach der Generatoren, Kompressoren und Pumpen erfüllt, hat aber auch Musik zu bieten. ...

Quantenflüssigkeiten spielen eine wichtige Rolle in vielen Gebieten der Physik. Ein typisches Beispiel ist das Elektronengas in einem guten Leiter. Schwach korrelierte Quantenflüssigkeiten zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich mithilfe von effektiven Einteilchenzuständen, sog. Quasiteilchen, beschreiben lassen. Für das Elektronengas sind das die Gitterschwingungen (Phononen) sowie die (Quasi-)Elektronen. Letztere unterscheiden sich von den freien Elektronen durch eine effektive Masse, welche die Auswirkungen der Coulomb-Wechselwirkung zwischen ihnen beinhaltet und sich von der Masse des freien Elektrons unterscheidet. Die Thermodynamik lässt sich in guter Näherung durch diese nichtwechselwirkenden Elektronen sowie Phononen beschreiben, und die Transporteigenschaften ergeben sich aus der Streuung der Elektronen an Störstellen und Phononen.

Stark korrelierte Systeme dagegen sind durch das Fehlen scharf definierter Quasiteilchen charakterisiert. Beispiele sind flüssiges Helium in der Nähe des Lambda-Punktes und Hochtemperatur-Supraleiter. Obwohl sich verschiedene stark gekoppelte Systeme im Detail sehr unterscheiden, existieren Hinweise auf wichtige universelle Eigen­schaften. Wir werden zwei Beispiele diskutieren: die Zustandsgleichung dichter Materie, mit Anwendungen in der Physik von Neutronensternen, und die Viskosität stark gekoppelter Flüssigkeiten, die in Schwer­ionen­kollisionen und in der Expansion ultrakalter Gase experimentell zugänglich ist.

Eine interessante Frage ist, ob ein einfaches Modellsystem für stark korrelierte Quantenflüssigkeiten exis­tiert, das eine ähnliche Rolle spielt wie das Ising-Modell für den Magnetismus und damit verbundene Phasen­übergänge. Wir möchten hier argumentieren, dass das unitäre Fermi-Gas ein solches Modell ist. Es ist mathematisch extrem einfach, aber physikalisch komplex. Dank der Fortschritte in der Kontrolle ultrakalter Quantengase lässt sich das unitäre Gas experimentell im Labor erzeugen. ...

Wer Bleistifte zum Schreiben benutzt, hat möglicherweise schon einmal Graphen hergestellt. Bleistiftminen bestehen – abgesehen von etwas Ton, mit dem sich die Härte beeinflussen lässt – aus Graphit, einem Festkörper ausschließlich aus Kohlenstoff. Anders als Diamant ist aber Graphit sehr stark anisotrop, denn es besteht aus atomar dünnen Lagen, welche aufeinander geschichtet und nur relativ schwach aneinander gebunden sind. Beim Schreiben mit dem Bleistift werden diese Lagen abgeschält, wobei man wohl nur selten genau eine einzelne Lage des Materials aufs Papier bringt. Vor etwa zehn Jahren ist es jedoch Andre Geim und Konstantin Novoselov gelungen, durch wiederholtes Ankleben und Abziehen von Klebeband einzelne Lagen von Graphen zu isolieren. Die beiden Physik-Nobelpreisträger von 2010 haben diese Lagen allerdings nicht auf Papier, sondern auf Silizium­oxid abgelagert, welches die Oberfläche von herkömmlichen Mikrochips aus Silizium bildet. Siliziumoxid einer bestimmten Dicke eignet sich deshalb sehr gut, weil sich darauf einzelne Graphenlagen von Schichten aus zwei und mehr Lagen mit einem optischen Mikroskop unterscheiden lassen. Erst die Möglichkeit, einzelne Graphenflocken zu präparieren und mit elektrischen Kontakten zu versehen, hat es erlaubt, die erstaunlichen Eigenschaften dieses extrem dünnen Materials zu erforschen. Dieses Forschungsfeld ist inzwischen groß und wird es wohl auch bleiben, denn im Oktober 2013 hat die Europäische Union das über eine Laufzeit von zehn Jahren mit insgesamt einer Milliarde Euro dotierte „Graphene Flagship“ zur weiteren Erforschung der Grundlagen und Anwendungen von Graphen auf den Weg geschickt.

Graphen ist ein perfekt zweidimensionales Material, welches aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. Diese sind in der Ebene in einem hexagonalen Gitter angeordnet – ähnlich einer Bienenwabe (Infokasten „Struktur und Bandstruktur“). Neben dem mechanischen Abtrennen einzelner Schichten von Graphit mit der beschriebenen „Klebeband-Methode“ lässt sich Graphen auch durch epitaktisches Wachstum auf Siliziumkarbid oder durch Gasphasenabscheidung präparieren.