Goldener Schnitt auch in der Nanowelt

aus der Forschung des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie

Ein Magnetfeld wird rechtwinklig zur Spinkette angelegt, um diese so zu verändern, dass sie in einen quantenkritischen Zustand übergeht. Mithilfe der Neutronenstreuung werden die charakteristischen Frequenzen der Resonanzen aufgezeichnet. Foto/Grafik: HZB.mehr lesen

HZB-Forscher um Professor Dr. Alan Tennant haben in 2010 mit britischen Kollegen erstmals in einem magnetischen Kristall verborgene Symmetrieeigenschaften entdeckt, die dem „Goldenen Schnitt“ entsprechen. Dieses Verhältnis zweier Längen von 1 zu 1,618 gilt seit der Antike als ästhetisches Ideal und kommt auch in der belebten Natur häufig vor.

Bei dem untersuchten Material handelte es sich um Kobalt-Niobat, das besondere magnetische Eigenschaften besitzt. Die vorhandenen Spins ordnen sich darin zu Ketten an, die zusammen wie ein dünner Stabmagnet wirken. Jedoch ist die Kette nur eine Atomlage dick. Wenn ein magnetisches Feld senkrecht auf die ausgerichtete Spin-Kette einwirkt, geht die Kette in einen neuen Zustand über.

Harmonie in den Resonanzen

Die Kette aus Atomen verhalte sich wie eine Gitarrensaite auf Nanoebene, erklärte Dr. Radu Coldea von der Oxford University. „Die Schwingung der Saite entspricht in diesem Bild der Wechselwirkung, die benachbarte Spinketten miteinander eingehen“, sagt Coldea. Wie bei einer Gitarrensaite entstehen dabei auch Resonanzen. Von den beobachteten Resonanz-Frequenzen stehen die ersten beiden im Verhältnis des Goldenen Schnitts. Laut Alan Tennant ist die Beobachtung des Resonanzzustandes im Kobalt-Niobat eine eindrucksvolle Demonstration von experimenteller Laborarbeit. Mathematische Theorien, die eigentlich für die Teilchenphysik entwickelt wurden, finden dabei auf nanoskaliger Ebene Anwendung in der Festkörperphysik.

Überraschungen in Quantenstrukturen

Alan Tennant: „Bemerkenswert ist, dass man in einem Quantensystem, dem die Heisenbergsche Unschärfe zugrunde liegt, keine Unordnung findet, sondern die perfekte Harmonie.“Solche Erkenntnisse könnten zu völlig neuen Technologien führen, so Tennant. Außerdem „sind sie ein weiterer Beweis für die Physiker, dass in der Quantenwelt eigene Strukturen existieren. Das heißt, ähnliche Überraschungen können uns in anderen Materialien im quantenkritischen Zustand ebenfalls erwarten.”

Thema erzielte Klickrekord im Web

Solche neuen Einsichten in die Natur stoßen auch bei einem breiteren Publikum auf enormes Interesse: Die Presseinfo über die unerwartete Verbindung zwischen moderner Quantenphysik und antiker Harmonienlehre wurde in englischer Sprache im Nachrichtendienst Eurekalert veröffentlicht und zur Top-Story 2010 gekürt. Fast 130.000 Aufrufe zählte EurekAlert für diese Meldung. Damit gab es für die Nachricht mehr Aufmerksamkeit als für die beliebten Themen aus dem medizinischen Umfeld.

Ina Helms/HZB-Kommunikation