Kalte Gläser und ihreGeheimnisse

SKIP-Symposium

27. 5. 2004

Siegfried HunklingerKirchhoff-Institut für PhysikUniversität Heidelberg

Zeller, Pohl, Phys. Rev. B 4, 2029 (1971)

Lasjaunias, Ravex, Vandorpe, Hunklinger Sol. State Commun. 17, 1045 (1975)

Die Absolutwert der spezifischen Wärme amorpher Festkörperist nahezu universell !

Simulation: A. HeuerModellrechnung: R. Kühn

Spezifische Wärme von Quarz und Quarzglas

Wärmeleitfähigkeit

Zeller, Pohl, Phys. Rev. B 4, 2029 (1971) Pohl, Liu, Thompson, Rev. Mod. Phys. 74, 991 (2002)

Elastischer und dielektrischer Verlust

Classen, Enss, Bechinger, Weiss, HunklingerAnn. Phys. 3, 315 (1994)

Hunklinger, Enss, TieftemperaturphysikSpringer, 2000

Kleine atomare Cluster tunneln zwischenlokalen Potentialminima

Tunneln in Gläsern

Phillips, J. Low. Temp. Phys. 7, 351 (1972)

Anderson, Halperin, Varma, Philos. Mag. 25, 1 (1972)

Verteilungsfunktion:

const.

Zwei-Niveau-System

Tunnelabspaltung:

Asymmetrieenergie:

Energieaufspaltung

Sättigung der Ultraschallabsorption

Hunklinger, Festkörperprobleme, 16, 1 (1976)

Gläser enthalten Tunnelsysteme - "Quasiteilchen" - mit einer breiten Verteilung der charakteristischen Parametern.

Die Tunnelsysteme koppeln an das amorphe Netzwerk und tragen ein elektrisches Dipolmoment.

Ursprung der Verteilung der charakteristischen Parameter und die "Universalität" der elastischen und thermischen Eigenschaften ist weitgehend unverstanden.

Die Tunnelsysteme wechselwirken schwach untereinander. Die zur theoretischen Behandlung der Wechselwirkung erforderlichen Konzepte und die experimentellen Konsequenzen sind noch unklar.

Die Tunnelsysteme bestimmen die Tieftemperatureigenschaften der amorphen Materialien.

Einfluss von Magnetfeldern auf nominellunmagnetische Gläser

Strehlow, Wohlfahrt, Jansen, Haueisen, Weiss, Enss, Hunklinger, Phys. Rev. Lett. 84, 1938 (2000)

Nicht-monotone Variation von

' und tan

relativ großer Effekt

Magnetfeldeinfluss

T = 64 mK

1 kHz

Mögliche Ursachen:

Magnetische Verunreinigungen

Kernmagnetismus

Bewegung der geladenen Tunnelteilchenauf geschlossenen Pfaden

Dynamische Eigenschaften von TS können mit den Bloch-Gleichungen beschrieben werden.

Bei sehr tiefen Temperaturen sollte die kohärente Bewegung der tunnelnden Teilchen beobachtbar sein.

Speziell:

Echophänomene

Statisches Magnetfeld Zwei-Niveau Systeme

magnetisches Wechselfeld Magnetisierung Magnetisierung zerfällt

-Puls bewirkt „Zeitumkehr“

Echo entsteht nach 2t12

Echo zerfällt mit wachsendem Zeitabstand durch WW der Spins mit der Umgebung

NMR – EchoDielektrisches Zweipuls-Echo

Tunnelsysteme Zwei-Niveau Systeme

elektrisches Wechselfeld dielektrische Polarisation

dielektrische Polarisation zerfällt

-Puls bewirkt „Zeitumkehr“

Echo entsteht nach 2t12

Echo zerfällt mit wachsendem Zeitabstanddurch WW der TS mit der Umgebung

t12 (s)

BAS: Ludwig, Enss, Hunklinger, Strehlow, Phys. Rev. Lett. 88, 75501 (2002)

BK7, Duran: Ludwig, Nagel, Hunklinger, Enss, Low Temp. Phys. 131, 89 (2003)

[mT]

BAS

Suprasil

Feldabhängigkeit der Echoamplitude

nicht-monotone Feldabhängigkeit

Echoamplitude bei hohen Felderngrößer als bei Nullfeld

kein Magnetfeldeffekt bei Quarzglas

Idee: (A. Fleischmann, C. Enss)

Ursache ist das Quadrupolmoment der Kerne

Si- und O-Kerne tragen weder ein

magnetisches Moment noch ein Quadrupolmoment

H H H

H C C C H

O O O H H H

-200 -100 0 100 2000.0

0.5

1.0

C3D

8O

3

C3H

8O

3

t12

= 3.5 µs

Inte

gr. e

choa

mpl

. [a.

u.]

B [mT]Magnetic field B / mT

Inte

grat

ed

Ech

o A

mpl

itude

/ a

.u.

C3H8O3

Magnetic field B / mT

Inte

grat

ed

Ech

o A

mp

litu

de /

a.u

.

-10 0 10

0.95

1.00

C3H

8O

3

Inte

gr.

echo

ampl

. [a

.u.]

B [mT]

-10 0 10

1.00

0.95

Isotopeneffekt

Nagel, Fleischmann, Hunklinger, Enss, Phys. Rev. Lett. ??, ??, (2004)

-200 -100 0 100 2000.0

0.5

1.0

C3D

8O

3

C3H

8O

3

t12

= 3.5 µs

Inte

gr. e

choa

mpl

. [a.

u.]

B [mT]Magnetic field B / mT

Inte

grat

ed

Ech

o A

mpl

itude

/ a

.u.

C3H8O3

H H H

H C C C H

O O O H H H

D D D

D C C C D

O O O D D D

Isotopeneffekt

-200 -100 0 100 2000.0

0.5

1.0

C3D

8O

3

C3H

8O

3

t12

= 3.5 µs

Inte

gr. e

choa

mpl

. [a.

u.]

B [mT]Magnetic field B / mT

Inte

grat

ed

Ech

o A

mpl

itude

/ a

.u.

Nagel, Fleischmann, Hunklinger, Enss, Phys. Rev. Lett. 92?, ??, (2004)

Quadrupol-Modell

Würger, Fleischmann, Enss, Phys. Rev. Lett. 89, 237601, (2002)

ETS (1 GHz)

EQ (150 kHz)

1m

0m

1I

M. Brandt (Doktorarbeit 2004)

Schwebungen

Quadrupol-Modell

Würger, Fleischmann, Enss, Phys. Rev. Lett. 89, 237601, (2002)

ETS (1 GHz)ETS (1 GHz)ETS (1 GHz)ETS (1 GHz)

1m

1m0m

Überlagerung ändert sich mit dem Magnetfeld

Echoamplitude variiert mit dem Magnetfeld(abhängig vom Pulsabstand)

B B

Quadrupolmodell – großes Magnetfeld

Identische Zwei-Niveau Systeme keine Schwebungen

ETS (1 GHz)

EZ

EZ

EZ

EZ

Schwebungen

M. Brandt (Doktorarbeit 2004)

Dielektrische Messungen bei ultratiefen Temperaturen

Ultratiefe Temperaturen

Messung an a-BaO-Al2O3-SiO2

Magnetfeldvariation nur 10 T !!

Extrem starke Magnetfeldempfindlichkeit

Strehlow, Enss, Hunklinger, Phys, Rev. Lett. 80 5361 (1998)

1,85 mK

Ultratiefe Temperaturen

Strehlow, Enss, Hunklinger, Phys. Rev. Lett. 80 5361 (1998)

"Scharfer" Knick von

Kontinuierlicher Phasenübergang ?

Makroskopischer Quantenzustand ?

"Spinglas-Übergang" ?

Kühlrate: 1 K/s

Ultratiefe Temperaturen

Strehlow, Enss, Hunklinger, Phys. Rev. Lett. 80 5361 (1998)

Echos Quadrupol-Modell

Dielektrische Funktion Kernquadrupole? Kopplungsmechanismus?

Phasenübergang ??

Scheinbarer Widerspruch

Temperaturen < 5 mK ("neuer Kryostat"):

Wechselwirkung zwischen den Tunnelsystemen

Wärmetransport durch Tunnelsystem

Phasenübergang

Tieftemperatureigenschaften ungeordneterFestkörpersind interessant, aber nicht "vollständig" verstanden.

Matthias Wohlfahrt

Peter Strehlow

Stefan LudwigChristian Enss

Peter Nagel

Herzlichen Dank

Andreas Fleischmann

Maximilian Brandt