Physiker entdecken exotisches Wirbelphänomen, das an Van Goghs Sternennacht erinnert

▲ Koreanische und japanische Wissenschaftler testen erfolgreich die Kelvin-Helmholtz-Theorie, deren halbmondförmige Strukturen dem Mond in Vincent van Goghs Meisterwerk ähneln. Foto: Google Arts

Europa Press

Zeitung La Jornada, Dienstag, 12. August 2025, S. 6

Madrid. Koreanischen und japanischen Physikern ist es erstmals gelungen, die Kelvin-Helmholtz-Quanteninstabilität (KHI) zu beobachten, ein Phänomen, das vor Jahrzehnten vorhergesagt und in Quantenflüssigkeiten noch nie zuvor beobachtet wurde.

Diese Instabilität erzeugt exotische Wirbelmuster, die als „exzentrische fraktionierte Skyrmionen“ bekannt sind und deren halbmondförmige Strukturen dem Mond in Van Goghs Meisterwerk „Sternennacht“ ähneln.

Die Kelvin-Helmholtz-Instabilität (KHI) ist ein klassisches Phänomen in der Strömungsdynamik, bei dem sich an der Grenze zwischen zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit Wellen und Wirbel bilden, wie man sie bei windgepeitschten Meereswellen, wirbelnden Wolken oder dem Himmel von Van Gogh beobachten kann.

„Unsere Forschung begann mit einer einfachen Frage: Kann die Kelvin-Helmholtz-Instabilität in Quantenflüssigkeiten auftreten?“, sagte Hiromitsu Takeuchi, außerordentlicher Professor an der Osaka Metropolitan University Graduate School of Science und einer der Hauptautoren dieser Studie, in einer Erklärung.

Durch Abkühlung von Lithiumgasen bis nahe an den absoluten Nullpunkt erzeugten die Forscher ein mehrkomponentiges Bose-Einstein-Kondensat (eine Quantensupraflüssigkeit) mit zwei Strömen unterschiedlicher Geschwindigkeit. An ihrer Schnittstelle entsteht ein wellenförmiges Fingermuster, das klassischen Turbulenzen ähnelt. Allerdings entstehen dann Wirbel, die den seltsamen Regeln der Quantenmechanik und Topologie unterliegen.

Diese Wirbel stellten sich als exzentrische fraktionierte Skyrmionen (EFS) heraus, eine kürzlich entdeckte Art topologischer Defekte.

„Skyrmionen sind normalerweise symmetrisch und zentriert“, erklärte Takeuchi. „Aber SFSs sind halbmondförmig und enthalten eingebettete Singularitäten: Punkte, an denen die übliche Spinstruktur zusammenbricht und starke Verzerrungen entstehen. Für mich sieht die große Mondsichel in der oberen rechten Ecke von „Die Sternennacht“ genau wie ein SFS aus“, fügte der Professor hinzu.

Angewandte Technologien

Skyrmionen, die erstmals in magnetischen Materialien entdeckt wurden, stoßen aufgrund ihrer Stabilität, geringen Größe und ungewöhnlichen Dynamik auf zunehmendes Interesse für den Einsatz in der Spintronik und in Speichergeräten.

Die Entdeckung eines neuen Skyrmionentyps in einer Supraflüssigkeit könnte sowohl Auswirkungen auf angewandte Technologien als auch auf unser Verständnis von Quantensystemen haben.

Für die Zukunft plant das Team, seine Messungen zu verfeinern. „Mit präziseren Experimenten könnten wir die Vorhersagen aus dem 19. Jahrhundert über die Wellenlänge und Frequenz von KHI-getriebenen Grenzflächenwellen überprüfen“, sagte Takeuchi.

Die Forscher sehen auch ein breiteres theoretisches Potenzial.

„EFS stellen traditionelle topologische Klassifikationen in Frage“, schloss Takeuchi. „Ihre eingebetteten Singularitäten werfen neue Fragen auf, und wir hoffen zu erforschen, ob ähnliche Strukturen in anderen mehrkomponentigen oder höherdimensionalen Systemen auftreten.“

Der Independent

Zeitung La Jornada, Dienstag, 12. August 2025, S. 6

Ein Mangel des Metalls Lithium im Körper könnte ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung von Demenz bei Alzheimer-Patienten sein, wie eine neue Studie zeigt.

Die zehnjährige Forschung, die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, zeigt zum ersten Mal, dass Lithium natürlich im Gehirn vorkommt und die normale Funktion aller wichtigen Zelltypen aufrechterhält, wodurch Nervenschäden verhindert werden.

Wissenschaftler der Harvard Medical School haben herausgefunden, dass der Lithiumverlust im menschlichen Gehirn eine der ersten Veränderungen ist, die zu Alzheimer führen, während bei Mäusen ein ähnlicher Lithiummangel den Gedächtnisverlust beschleunigte.

In einigen Fällen wurden aufgrund der schlechten Absorption des Metalls und seiner Bindung an Amyloid-Plaques, die als Kennzeichen der Alzheimer-Krankheit gelten, reduzierte Lithiumwerte festgestellt.

Forscher zeigten außerdem, dass eine neue Art von Lithiumverbindung – Lithiumorotat – dessen Einfangen durch Amyloid-Plaques verhindern und das Gedächtnis von Mäusen wiederherstellen kann.

In der Studie verwendeten sie eine fortschrittliche Methode zur chemischen Analyse mittels Massenspektroskopie, um Spuren von etwa 30 verschiedenen Metallen in Gehirn- und Blutproben verschiedener Personen zu messen, darunter kognitiv gesunde Personen, Personen im Frühstadium einer Demenz und Personen mit fortgeschrittener Alzheimer-Krankheit.

Die Analyse ergab, dass Lithium das einzige Metall war, dessen Konzentrationen sich zwischen den Gruppen deutlich unterschieden. Diese schienen sich auch in den frühesten Stadien des Gedächtnisverlusts zu verändern. „Lithium verhält sich wie andere Nährstoffe, die wir aus der Umwelt aufnehmen, wie Eisen und Vitamin C“, sagte Dr. Bruce Yankner, der Hauptautor der Studie.

„Dies ist das erste Mal, dass Lithium in der Natur in biologisch signifikanter Menge vorkommt, ohne dass es als Medikament verabreicht wird“, fügte er hinzu.

Obwohl Lithiumverbindungen in der Vergangenheit zur Behandlung verschiedener psychischer Erkrankungen wie bipolarer Störungen und schwerer depressiver Störungen eingesetzt wurden, werden sie in viel höheren Konzentrationen verabreicht, die für ältere Erwachsene sogar toxisch sein können.

Wissenschaftler haben nun herausgefunden, dass Lithiumorotat bereits bei einem Tausendstel dieser Dosis wirksam ist – genug, um den natürlichen Lithiumspiegel im Gehirn nachzuahmen. Die neuesten Erkenntnisse zu dieser Substanz müssen jedoch noch in klinischen Studien am Menschen bestätigt werden.

Dennoch vermuten Forscher, dass die Messung des Lithiumspiegels dazu beitragen könnte, Alzheimer im Frühstadium zu erkennen. Die Ergebnisse stellen die Theorie der Alzheimer-Krankheit, von der weltweit fast 400 Millionen Menschen betroffen sind, in Frage und bieten eine neue Strategie für Frühdiagnose, Prävention und Behandlung.

Studien haben gezeigt, dass Alzheimer mit einer Reihe von Hirnanomalien einhergeht, wie etwa Ansammlungen des Amyloid-Beta-Proteins, Verwicklungen des Tau-Proteins und dem Verlust des hirnschützenden Proteins REST. Diese Anomalien haben die Krankheit jedoch nie vollständig erklärt.

Es ist weiterhin unklar, warum manche Menschen mit Alzheimer-ähnlichen Hirnerkrankungen nie eine Demenz oder einen kognitiven Abbau entwickeln.

Auch die kürzlich entwickelten Behandlungen gegen Amyloid-Beta-Plaques scheinen den Gedächtnisverlust nicht rückgängig zu machen, sondern verlangsamen den kognitiven Abbau nur geringfügig.

Wissenschaftler sagen, Lithium könnte das fehlende Bindeglied sein.

„Die Idee, dass Lithiummangel eine Ursache der Alzheimer-Krankheit sein könnte, ist neu und legt einen anderen therapeutischen Ansatz nahe“, sagte Yankner.

„Man muss vorsichtig sein, wenn man von Mausmodellen ausgeht, und man weiß es nie, bis man es in einer kontrollierten klinischen Studie am Menschen testet. Aber bisher sind die Ergebnisse sehr ermutigend“, fügte er hinzu.