Der Durchbruch in der Erforschung von Wasserstoff: Exotischer Quantenzustand erklärt

Wasserstoff kann unter bestimmten Bedingungen einen exotischen Zustand einnehmen, bei dem die Elektronen benachbarter Atome Paare bilden. Physiker haben festgestellt, dass unter Druck ein ionisiertes Wasserstoffplasma dieses “Roton-artige” Verhalten zeigen könne. Dieser Effekt war bisher nur von ultrakalten Quantenflüssigkeiten bekannt. Die Erkenntnisse könnten in der Analyse solcher Plasmen von Bedeutung sein, wie sie in astronomischen Objekten und Fusionsreaktoren vorkommen. Das Roton-artige Verhalten soll in Röntgenstreuungsanalysen nachweisbar sein, beispielsweise mit Freie-Elektronen-Lasern.

Normalerweise reagieren Atome auf Energiezufuhr durch Strahlung mit einer Anregung, bei der ihre Elektronen höhere Energieniveaus einnehmen. Jedoch wurde in ultrakalten Quantenfluiden und nun auch in Verdichtungen von Wasserstoffplasma festgestellt, dass die Atome bei hoher Dichte und Energieladung ungewöhnlicherweise an Energie verlieren können. Dies wird als “Roton-artiges” Verhalten bezeichnet und beruht auf der Bildung von Elektronenpaaren in dicht gedrängten Atomen. Es war jedoch unklar, ob dieser Zustand auch in dichter Materie wie einem stark komprimierten Plasma auftreten kann.

Forscher der Universität Kiel haben nun theoretisch untersucht, ob das Roton-artige Verhalten auch in teilweise ionisiertem Wasserstoffplasma auftreten kann. Dabei fanden sie heraus, dass Elektronenpaarbildung und Roton-Verhalten in einem Wasserstoffplasma mit hohen Elektronendichten möglich sind, insbesondere bei Temperaturen über 40.000 Kelvin und einer Elektronendichte von über 50 Trilliarden Elektronen pro Kubikzentimeter. Die Anregung des Plasmas mit energiereichen Röntgenstrahlen löst das Roton-artige Verhalten aus. Interessanterweise wurde festgestellt, dass die Anwesenheit von Wasserstoffionen dieses Verhalten noch weiter stabilisiert.

Die Frage, ob dieser exotische Zustand des Wasserstoffs experimentell nachweisbar ist, wurde ebenfalls untersucht. Die Physiker kommen zu dem Schluss, dass die Streuungssignale dieses Zustands bei Verwendung von zwei Detektoren bei Röntgenstreuungsexperimenten in Freie-Elektronen-Lasern im Energiebereich zwischen sechs und neun Kiloelektronenvolt nachweisbar sein sollten. Voraussetzung dafür ist eine hohe Auflösung der Streuungswinkel und Frequenzen, die allerdings in kommenden Experimenten erreicht werden könnten.

Die experimentelle Bestätigung dieses exotischen Wasserstoffzustands würde ein genaueres Verständnis von dichter Materie in astronomischen Objekten ermöglichen, einschließlich der Bedingungen im Inneren von Sternen und Gasplaneten. Darüber hinaus könnte es Auswirkungen auf die Erforschung der Kernfusion haben, da Wasserstoffplasmen auch in Fusionsreaktoren vorkommen. Nun liegt es an der Experimentalphysik, den neuartigen Zustand des Wasserstoffs auch praktisch nachzuweisen und seine potenziellen Anwendungen weiter zu erforschen.