Spezialist #47

Der Imaginärteil der Dielektrizitätskonstante weist ein Minimum bei 20 K auf

Im Mikrowellenbereich zeigt der Verlustfaktor des Eises ein Minimum bei sehr niedrigen Temperaturen.

Wissenschaftliche Erklärung

Die komplexe Dielektrizitätskonstante hat einen Realteil (Energiespeicherung) und einen Imaginärteil (Energieverlust). Der Imaginärteil, auch dielektrischer Verlust genannt, beschreibt, wie viel elektromagnetische Energie das Material absorbiert. Bei Eis zeigt dieser Verlustfaktor ein ungewöhnliches Minimum bei einer Temperatur von etwa 20 Kelvin (minus 253 Grad Celsius).

Dieses Minimum ist das Ergebnis zweier konkurrierender Verlustmechanismen, die bei unterschiedlichen Temperaturen dominieren. Bei höheren Temperaturen (oberhalb von 100 K) wird der dielektrische Verlust hauptsächlich durch die Debye-Relaxation bestimmt — die Umorientierung der Wassermoleküle im Eisgitter. Mit sinkender Temperatur verlangsamt sich diese Relaxation exponentiell, und der zugehörige Verlust nimmt ab.

Bei sehr tiefen Temperaturen (unter 20 K) tritt ein anderer Mechanismus in den Vordergrund: Quantenmechanisches Tunneln von Protonen zwischen benachbarten Gleichgewichtspositionen im Eisgitter. Dieser Tunnelprozess ist temperaturunabhängig und erzeugt einen Restverlust, der bei sehr niedrigen Temperaturen sogar leicht ansteigen kann.

Das Minimum bei 20 K markiert den Punkt, an dem die abklingende Debye-Relaxation und der aufkommende Tunnelverlust sich die Waage halten. Die genaue Position und Tiefe dieses Minimums sind frequenzabhängig und werden weiterhin aktiv erforscht. Einige Forscher sehen in diesem Minimum Hinweise auf die Protonenordnung im Eis bei tiefen Temperaturen — ein Thema, das mit der Frage nach dem Grundzustand von Eis und der Bestimmung der Restentropie zusammenhängt.

Imaginary Part of Dielectric Constant of Ice vs Temperature Line chart showing that the imaginary part of the dielectric constant of ice (dielectric loss) exhibits a minimum at about 20 Kelvin. Below and above this temperature, the loss factor increases. Dielectric loss (log scale) high low 0 20 50 100 200 Temperature (K) Minimum ~20 K Imaginary Dielectric Constant of Ice
Dielektrischer Verlust von Eis in Abhängigkeit von der Temperatur mit einem Minimum bei etwa 20 K.

Alltagsrelevanz

Obwohl Temperaturen um 20 Kelvin im Alltag nicht vorkommen, hat dieser Effekt Bedeutung für die Astrophysik und Planetenwissenschaft. Eis existiert auf zahlreichen Körpern im Sonnensystem — von den Ringen des Saturn bis zu Kometen — bei Temperaturen in genau diesem Bereich. Die dielektrischen Eigenschaften bestimmen, wie Radarsignale und Mikrowellenstrahlung mit diesen Eisvorkommen wechselwirken. Raumsonden wie Cassini oder JUICE nutzen Radarmessungen, um die Dicke und Beschaffenheit von Eisschichten auf Monden wie Europa und Enceladus zu bestimmen, und dafür ist ein genaues Verständnis des dielektrischen Verlusts bei tiefen Temperaturen unverzichtbar.