Den Ursprung und die Entwicklung des Universums zu studieren, ist schwierig: Weder das eine noch das andere lässt sich im Labor nachstellen. Kosmologen und Astrophysiker sind deshalb unter anderem auf gigantische Teleskope angewiesen. Damit beobachten sie die kosmische Hintergrundstrahlung, die eine Art Echo des Urknalls ist und den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern wichtige Informationen liefert. Wenn aber die richtigen Leute zum richtigen Zeitpunkt aufeinandertreffen, kann es passieren, dass sich Materialwissenschaftler plötzlich kosmologischen Fragestellungen annehmen und nur mithilfe eines Supercomputers und eines Atomkraft-Mikroskops neue Erkenntnisse gewinnen: So geschehen bei Nicola Spaldin, Professorin für Materialtheorie und Manfred Fiebig, Professor für multifunktionale ferroische Materialien.

Parallelen zwischen Kristall und Universum

Spaldin und Fiebig versuchten zusammen mit ihren Teams, fundamentale Fragestellungen der Kosmologie mit Kristallen des Materials Yttriummanganit zu lösen. Interessant war der Kristall für die Forschenden, da sich in ihm die Atome so anordnen, dass spontan spezielle magnetoelektrische Strukturänderungen auftreten können. Diese spontane Anordnung der elektrischen Ladung in einem sogenannten Phasenübergang folgt laut den Forschenden wiederum denselben Gesetzmässigkeiten wie die Entwicklung des Universums - und zwar zu dem Zeitpunkt, als sich das Universum in Materie und in die Kräfte, die diese zusammenhält, aufspaltete.

Der zum Kristall analoge Phasenübergang im Universum, währenddessen sich der Zustand des Universums fundamental änderte, fand innerhalb der ersten Sekunde nach dem Urknall statt. Er bewirkte eine grundlegende Symmetrieänderung. Laut Theorie entwickelten sich dadurch punktuelle Störungen oder «Löcher» in der ansonsten gleichmässigen Struktur des Universums. Diese topologischen Defekte werden als kosmische Strings bezeichnet.

Der Beweis für die Existenz der kosmischen Strings steht bis heute aus. Ihre Bildung soll jedoch bestimmten Symmetrieanforderungen folgen, die der Physiker Thomas Kibble formulierte. Die Abschätzung der Dichte dieser Defekte ermittelte der Physiker Wojciech Zurek. Die ETH-Forscher überprüften nun mit Yttriummanganit-Kristallen im Labor die von Kibble und Zurek errechneten Gesetzmässigkeiten für die String-Bildung. Erstmals sei es dadurch gelungen, die Gültigkeit dieses Gesetzes zu bestätigen, halten Spaldin und Fiebig fest.

Die Wissenschaftler nutzten hierfür Parallelen in den Symmetrieeigenschaften des jungen Universums und ihres Kristalls. «Die zugrunde liegenden physikalischen Modelle sollten auf alle Phasenübergänge desselben Symmetrietyps angewendet werden können», sagt Spaldin. Deshalb berechneten sie über das Kibble-Zurek-Gesetz die Zahl zu erwartenden Defekte und simulierten deren atomare Struktur mit dem CSCS-Supercomputer «Monte Rosa».

Im Labor reproduzierten sie schliesslich den kristallinen Phasenübergang, indem sie den Kristall unterschiedlich schnell abkühlten und unter dem Atomkraft-Mikroskop jeweils die Defekte zählten, die sich im Kristallgitter gebildet hatten. «Die abstrakten Strings entsprechen hierbei sternförmigen Punkten – man kann sie einfach zählen», erklärt Martin Lilienblum, der als Doktorand in Fiebigs Labor die Messung durchführte.

Kristallographische Äquivalent zu kosmischen Strings

Die Forscher stellten fest, dass die Anzahl der produzierten Defekte mit den Berechnungen übereinstimmt. Es gelang ihnen dadurch, ein kristallographisches Äquivalent zu kosmischen Strings zu erzeugen. «Wir können damit nicht nur die Gültigkeit des Kibble-Zurek-Gesetzes eindeutig nachweisen, sondern sogar alternative Entwicklungsszenarien für die Zeit nach dem Urknall untersuchen», erläutert Sinead Griffin, Doktorandin bei Spaldin, «wie den von einigen Wissenschaftlern vermuteten Fall, dass sich das Universum sehr viel schneller als zumeist angenommen abgekühlt hat.»

Bereits zuvor hatten andere Forschungsgruppen erfolglos anhand anderer Materialien den Nachweis des Kibble-Zurek-Verhaltens im Labor versucht. Nun ist er mit Yttriummanganit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Bereichen Kosmologie, Materialtheorie und Kristallanalyse von ursprünglich verschiedenen Universitäten gelungen. «Für uns ist es nicht überraschend, dass alle Beteiligten heute im selben Departement an der ETH Zürich arbeiten und dort ihre Forschung zur 'Kosmologie unter dem Mikroskop' fortsetzen», freuen sich Spaldin und Fiebig.

Literaturhinweis:

Griffin SM et al.: Scaling behavior and beyond equilibrium in the hexagonal manganites, Physical Review X 2, 041022 (2012), DOI: 10.1103/PhysRevX.2.041022