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News: Ein starkes Feld

Der Neue wiegt mehrere Tonnen, ist so groß wie zwei Personen, hat einen Generator für Milliarden Watt Leistung im Hintergrund und ist stärker als jeder andere auf der Welt: Das Los Alamos National Laboratory hat einen neuen Magneten bekommen, dessen magnetische Induktion über eine Million mal größer als jene des Erdmagnetfeldes ist. Seinen ersten Test hat er mit einer Fragestellung aus dem Bereich Materialwissenschaft bestanden.
Der Magnet gehört zum National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL), das die Los Alamos National Laboratories, die University of Florida und die Florida State University zusammen betreiben. Er besteht aus neun Spulen in Stahlzylindern und kann eine maximale magnetische Induktion von 60 Tesla erreichen. Zum Vergleich: In unseren Breitengraden erreicht das Erdmagnetfeld Werte um 40 bis 50 Mikrotesla.

Seine Entwicklung war eine echte Herausforderung für die Ingenieure, da solch extreme magnetische Kräfte den Magneten in Stücke zu reißen drohen. Deshalb wurden die Spulen mit Stahl umgeben. Die äußerste von ihnen ist groß genug, um ein oder zwei Menschen aufzunehmen, während die zentrale Spule mit dem Platz für die Probe nur einige Zentimeter Durchmesser hat. Seine Energie bezieht der Magnet von einem gewaltigen Generator, der den ganzen US-Bundesstaat New Mexico mit Strom versorgen könnte. Um die mit dem Stromfluß verbundene Hitze zu überstehen, wird der Magnet mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Wenn der Generator seine elektrische Energie an den Magneten weitergibt, macht dieser "ein Geschrei, das einen unheimlich an den wütenden Godzilla aus dem Kino erinnert", sagt Greg Boebinger, der NHMFL-Direktor des Los-Alamos-Centers. Dann darf kein loses Metallstück in der Nähe rumliegen, weil es sonst mit Gewalt in den Magneten gezogen würde.

Wozu brauchen Wissenschaftler derartig starke Magneten? Hong-wen Jiang von der University of California in Los Angeles möchte damit zum Beispiel die quantenmechanischen Übergänge von Elektronen in einen Energiezustand messen. Derartige Elektron-Loch-Wechselwirkungen bestimmen die elektrischen und optischen Eigenschaften eines Materials. Die Kenntnis der zugrundeliegenden Abläufe könnte letztlich zur Entwicklung besserer Halbleiterbauteile führen.

Der neue Magnet läßt sich weitgehend an die experimentelle Bedürfnisse der Forscher anpassen: Seine Feldstärke kann auf vorherbestimmten Werten konstant gehalten, von Null bis zu maximaler Stärke kontinuierlich gesteigert oder auf kompliziertere Weise angehoben werden.

Die erste Probe hat der Magnet bereits bestanden. Ein Team um Roman Movshovich von den Los Alamos National Laboratories hat die erste Messung der Wärmekapazität eines Materials im konstanten Magnetfeld eines gepulsten Magnetsystems durchgeführt. Aus der Wärmekapazität lassen sich Eigenschaften ableiten wie die Dichte elektronischer Zustände, die Steifheit eines Kristallgitters oder die Lage von Phasenübergängen. Bleibt die magnetische Feldstärke bei solchen Messungen nicht völlig gleich, entstehen elektrische Ströme im Material, welche die Probe aufheizen und den experimentellen Erfolg vereiteln. Die Wissenschaftler entwickelten ein Kalorimeter, das die Wärmezufuhr präzise mit den magnetischen Pulsen des 60-Tesla-Magneten synchronisierte. "Das war ein sehr riskantes Projekt", sagt Movshovich. "Andere Leute waren skeptisch, ob wir in der Lage sein würden, diese Messungen durchzuführen, und alle waren begeistert, als wir unsere Daten hatten."

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