Elektronen machen Wirbel

News: Elektronen machen Wirbel

Wirbelstürme und Hurrikans richten jährlich verheerende Schäden in Millionenhöhe an. Leider fehlen bislang, wie bei den meisten Naturkatastrophen, zuverlässige Methoden, die zerstörerischen Naturgewalten sicher vorherzusagen. Forscher aus Kalifornien haben nun ein Experiment vorgestellt, das einen tieferen Einblick in die komplexe Dynamik wirbelartiger Phänomene aller Art liefern könnte.

Wenn Forscher Strudel, Wirbel und andere Strömungserscheinungen von Gasen oder Flüssigkeiten untersuchen wollen, müssen Sie sich zunächst einmal für ein Medium entscheiden, in dem sie ihre Experimente durchführen. Reale Flüssigkeiten sind dabei häufig eine schlechte Wahl, da spezielle, unerwünschte Effekte durch Parameter auftreten, die sich nicht kontrollieren lassen. Die Viskosität ist so eine Größe. Sie ist ein Maß für die Zähigkeit einer Flüssigkeit und nur begrenzt veränderbar. Glücklicherweise bietet die Küche des Physikers noch andere etwas ungewöhnlichere Zutaten. Die "Köche" Dan Durkin und Joel Fajans von der University of California in Berkeley haben sich bei ihrer Simulation einer idealen Flüssigkeit für Elektronen entschieden, da sie die Elektronendichte so einstellen können, dass ähnliche Bedingungen herrschen wie in dem Strudel einer Flüssigkeit (Physical Review Letters vom 6. November 2000, Abstract).

Natürlich ist auch der "Topf" der Wissenschaftler eine extravangte Ausführung. Magnetfelder beschränken die Elektronen auf einen zylinderförmigen Raumbereich und sorgen gleichzeitig dafür, dass sich ein großer Elektronenwirbel ausbildet. Eine Photokathode dient dazu, lokal die Elektronendichte zu erhöhen und damit innerhalb dieses großen Wirbels einen kleinen punktförmigen Miniwirbel zu erzeugen. Der macht sich – kaum erschaffen – auf Wanderschaft und zwar auf kreisförmigen Bahnen im Uhrzeigersinn mit einer Eigenrotation in die gleiche Richtung, wie es der große Mutterwirbel vorgibt. Während der Kleine so seine Kreise zieht, bildet sich durch seine Bewegung am Rand des großen Wirbels eine Art Welle, die sich anschickt, dem kleinen Wirbel zu folgen. Die Welle wächst und wächst und schlägt schließlich über, wobei eine Blase entsteht. Diese Blase verhält sich nun wie ein weiterer kleiner Wirbel, der allerdings im Vergleich zu den beiden anderen eine Eigenrotation in entgegengesetzter Richtung, also gegen den Uhrzeigersinn, hat. Der punktartige Wirbel zieht den lochartigen weiter in den großen Mutterwirbel hinein, bis das ganze System schließlich im Chaos versinkt.

Bei einem weiteren Experiment plazierten Durkin und Fajans gleich sieben punktartige Wirbel innerhalb des großen. Auch hier tritt das gleiche Phänomen auf, erstaunlicherweise ordnen sich nun die kleinen Wirbel wie in einem Sechseck mit einem zusätzlichen Wirbel in der Mitte an – ein Prozess der als Kristallisation bekannt ist.

Die Möglichkeit, diese Wirbelphänomene im Labor zu simulieren, bringt Wissenschaftler in Zukunft eventuell in die Lage, das Auftreten von Wirbeln in der Natur besser erklären und vielleicht sogar einmal Vorhersage treffen zu können.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 18.10.2000
"Dicke Luft aus dem Norden"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 13.10.1998
"Schnell wie der Wind"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Brennpunkt-Thema vom 2.5.2000
"Strömungen berechnen mit dem Computer"
Spektrum der Wissenschaft 12/97, Seite 92
"Modellieren von Turbulenzen"
(nur für Heft-Abonnenten online zugänglich)

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