''Plasmakristall'' Wissenschaftlicher Hintergrund

Ein Plasma - ein ionisiertes Gas, bestehend aus Elektronen und Ionen - ist die vierte Zustandsform der Materie, nach fest (Kristall), flüssig und gasförmig. Dieser ungeordnetste Zustand der Materie wird zumeist bei hohen Temperaturen erreicht und zeichnet sich u.a. durch seine elektrische Leitfähigkeit aus. Plasmen begegnen uns im täglichen Leben z.B. in einer Kerzenflamme, in dem leuchtenden Gas in einer Leuchtstoffröhre, oder in der hellen Oberfläche unserer Sonne. Mehr als 99% der Materie unseres sichtbaren Universums befindet sich im Plasmazustand.

Die Kristallisation eines Plasmas, ohne den Plasmazustand zu verlieren, kann nur mit einer weiteren Komponente im Plasma erreicht werden: mit Mikropartikeln ("Staub"). Diese Partikel (hier: Melamin-Formaldehyd- Kügelchen der Firma Microparticles GmbH, siehe elektronenmikroskopische Aufnahme) mit einer Größe ab 1 µm (1 Mikrometer = 1/1000 mm) werden von den freien Ladungen, Elektronen und Ionen, im Plasma aufgeladen. Durch die geringere Masse der Elektronen und damit deren größerer Beweglichkeit, treffen im Mittel mehr Elektronen als Ionen die Mikropartikel. Dies führt zu einer negativen Ladung auf den Partikeln von einigen 1000 bis 10.000 Elektronenladungen. Diese Ladung wird durch eine positive Ionenwolke abgeschirmt.

Bei hoher Dichte der Mikropartikel beginnen die Partikel miteinander über die abstoßende Coulomb-Kraft zu wechselwirken, sie formen mit dem umgebenden Plasma ein sogenanntes "komplexes (staubiges) Plasma". Die Wechselwirkung kann zu einer starken Kopplung (Flüssigkeit) führen, bis hin zur Kristallisation der Partikel in typischen Abständen von 1/10 mm - dem "Plasmakristall". Das heißt: Verglichen mit der Größe der Partikel ist der Abstand zwischen benachbarten Mikropartikeln in einem Plasmakristall sehr groß.

Aufladung und Abschirmung eines Mikropartikels in einem Plasma.

Kristallisation eines komplexen Plasmas. Der Bildausschnitts beträgt ca. 4 mm.

Plasmakristalle und komplexe Plasmen im allgemeinen zeichnen sich durch besondere Eigenschaften aus:

• Teilchen können individuell beobachtet werden. (Einfacher als z.B. einzelne Atome in einem Kristallgitter.) Dies ermöglicht die Beobachtung des Mediums auf dem kinetischen Level.
  
• Zeitskalen werden durch die große Masse der Teilchen (im Vergleich zu einzelnen Atomen) verlangsamt. Daraus resultiert eine hohen Zeitauflösung der beobachteten Prozesse.
  
• Partikel können individuell kontrolliert und manipuliert werden. Dies erlaubt 'aktive' Experimente.
  

Dies ermöglicht einen ganz neuen Zugang zur Physik kondensierter Materie und zur Plasmaphysik.

Blick in das Plasma (blaues Leuchten) mit den von einem roten Laser beleuchteten Teilchen. (Zum Vergrößern anklicken)

Weitere Informationen (z.T. nur auf Englisch):

• Wikipedia: Komplexes Plasma
• General Introduction (Paper by H. Thomas, 2000)
• Plasma crystal properties and research possibilities

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Letzte Änderung: 2007-04-18
Ansprechpartner: Michael Kretschmer