22.11.2016

Versteckte Ordnung

Kölner Physikerin ist dem Rätsel einer seltenen Uranverbindung auf der Spur

Uranrutheniumsilizid (URu₂Si₂) ist ein Quantenmaterial, dass bei minus 256 Grad Celsius einen mysteriösen Ordnungsübergang zeigt. Dies haben Physiker/innen der Universität zu Köln und der Universität Leiden schon vor 30 Jahren durch Messungen der spezifischen Wärme (Entropie) entdeckt. Seitdem wird diese Ordnung weltweit untersucht. Obwohl man Ordnungseffekte bei 256 Grad unter dem Gefrierpunkt in vielen physikalischen Messgrößen sehen kann, konnten Wissenschaftler/innen auf die Frage was und wie es ordnet immer noch keine zufriedenstellende Antwort finden. Man nennt dieses Quantenphänomen deshalb auch versteckte Ordnung.

Inzwischen ist bekannt, dass die Verteilung der Elektronendichte der Uranatome bei tiefen Temperaturen ein wichtiger Schlüssel für das Verständnis der versteckten Ordnung ist. Bisher war es aber nicht möglich, diese Verteilung zu messen. Genau da hat das Team von Dr. Andrea Severing vom II Physikalischen Institut an der Universität zu Köln in Zusammenarbeit mit dem Max-Plack-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden und dem Van-der-Waals-Zeeman-Institut an der Universität Amsterdam angesetzt. Das Ergebnis der Arbeit mit dem Titel Direct bulk sensitive probe of 5f symmetry in URu₂Si₂ ist nun in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) erschienen.

Dank moderner unelastischer Streumethoden mit Röntgenstrahlung, wie sie zum Beispiel an der Europäischen Synchrotron Strahlungsquelle (ESRF) in Grenoble in Frankreich zur Verfügung stehen, konnte die Elektronendichteverteilung von Uran in URu₂Si₂ bei tiefen Temperaturen gemessen werden. Die so gefundenen experimentellen Ergebnisse schränken die Erklärungsversuche der versteckten Ordnung in URu₂Si₂ deutlich ein und sind damit ein wichtiger Prüfstein für theoretische Modelle.

Das Puzzle der versteckten Ordnung zu lösen, ist nicht nur eine intellektuelle Herausforderung, es trägt auch zur Weiterentwicklung theoretischer Konzepte bei, die für das Design neuer Materialien mit exotischen Eigenschaften von Belang sind, die wiederum irgendwann Anwendung im täglichen Leben finden könnten. URu₂Si₂ ist daher so etwas wie ein Modellmaterial für Festkörperphysiker in dem Sinne, dass ständig neue Theorien und neue Experimente zur Lösung der versteckten Ordnung entwickelt werden. Man könnte es mit der Fruchtfliege vergleichen, die viele Forschungsfragen in der Biologie gelöst hat.

Originalveröffentlichung:

Bei Rückfragen:

Dr. Andrea Severing
Universität zu Köln

II. Physikalisches Institut
Tel.: 0221/470-2608
E-Mail: <link>severing@ph2.uni-koeln.de