Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Atome mit Quanten-Erinnerung

28.02.2013
Aus Ordnung wird Unordnung – das gilt auch für Quantenzustände. Messungen am Atominstitut der TU Wien zeigen, dass dieser Übergang quantenphysikalisch ganz anders ablaufen kann als in unserer Alltagserfahrung.

Eiswürfel im Cocktailglas schmelzen, bis ein dauerhafter Gleichgewichtszustand erreicht ist, in dem sie verschwunden sind. Danach ist die geometrische Form der Eiswürfel völlig verloren: Die Flüssigkeit enthält keine „Erinnerung“ mehr an sie, aus einem geordneten Eiskristall sind ungeordnete Wassermoleküle geworden.


Der Atomchip (oben) - im Hintergrund die gemessenen Verteilungen, die den Zustand der Bose-Einstein-Kondensate beschreiben. TU Wien

Bei ultrakalten Bose-Einstein-Kondensaten ist das anders: Die höchst geordneten Wolken extrem kalter Teilchen streben zwar ebenfalls einem ungeordneten Gleichgewichtszustand entgegen, doch eine „Erinnerung“ an ihren ursprünglichen Zustand behalten sie erstaunlich lange. Wie sich nun zeigt, hängt dieses Phänomen bemerkenswerterweise nicht von der Temperatur ab, es scheint sich also um eine recht stabile, grundlegende Eigenschaft der Quantenphysik zu handeln.

Zwischenstopp auf dem Weg ins Chaos

Schon im vergangenen Jahr gelang es der Forschungsgruppe rund um Prof. Jörg Schmiedmayer am Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ), Atominstitut der TU Wien, den überraschenden Zwischenzustand zwischen Ordnung und Unordnung zu finden: Die Atome eines ultrakalten Bose-Einstein-Kondensats streben einem ungeordneten Gleichgewichtszustand entgegen, in dem ihre quantenphysikalischen Eigenschaften nicht mehr sichtbar sind.

Das geschieht allerdings nicht kontinuierlich, wie beim schmelzenden Eiswürfel, sondern über die Zwischenstufe eines sogenannten „präthermalisierten Zustands“, in dem die Atome erstaunlich lange verharren, ohne ihren quantenphysikalischen Ursprung zu vergessen. „Teilt man die Atom-Wolke in zwei Teile und führt diese dann wieder zusammen, werden Wellen-Muster sichtbar“, erklärt Jörg Schmiedmayer. „Sie sind der Beweis dafür, dass in den Atom-Wolken noch immer die Erinnerung daran vorhanden ist, aus einem quantenphysikalisch höchst geordneten Zustand hervorgegangen zu sein.“

Zwischenzustand unabhängig von Temperatur

Nun gelang es dem Forschungsteam, den Übergang in diesen Zwischenzustand genauer zu untersuchen – und dieser Übergang erweist sich als bemerkenswert stabil gegenüber unterschiedlichen äußeren Bedingungen. Aus unserem Alltag sind wir das Gegenteil gewohnt: „Stellen wir uns vor, ein Zimmer ist mit Luft gefüllt und im Nebenzimmer herrscht Vakuum“, sagt Max Kuhnert vom Atominstitut der TU Wien. „Wenn wir die Tür dazwischen öffnen, strebt dieses System in ein Gleichgewicht, bis die Luftmoleküle gleichmäßig zwischen den beiden Räumen verteilt sind. Dieser Übergang wird allerdings stark von äußeren Bedingungen wie Druck und Temperatur bestimmt.“ Je höher der Druck und je größer die Temperatur, umso leichter geht die Information über den Anfangszustand verloren, etwa über die ungleiche Verteilung der Luft-Moleküle, oder auch über die Struktur schmelzender Eiswürfel.

„Der prä-thermalisierte Zustand unserer Atomwolken wird hingegen ganz unabhängig von Druck und Temperatur erreicht“, sagt Max Kuhnert. Die jetzt in Physical Review Letters veröffentlichen Experimente zeigen dass dieser Zwischenzustand durch eine neue Längenskala charakterisiert wird. Diese sogenannten Korrelationslänge gibt an, auf welche Längenskala man die Atom-Wolken betrachten muss, um seine Quanten-Eigenschaften noch erkennen zu können.

"Diese Korrelationslänge ergibt sich emergent aus der Dichte des ursprünglichen Quantengases. Sichtbar wird sie aber erst in der Dynamik des Übergangs vom geordneten Zustand in den prä-thermalisierten Zustand“, sagt Jörg Schmiedmayer. „Dass die charakteristische Korrelationslänge nicht von der Anfangstemperatur abhängt, ist ein starkes, neues Indiz dafür, dass es sich bei dem prä-thermalisierten Zustand um ein wesentliche Eigenschaft der Quantenphysik mit weitreichender Bedeutung handelt“, glaubt Max Kuhnert.

Ein tieferes Verständnis dieses Zustandes soll nicht nur ultrakalte Bose-Einstein-Kondensate erklären, sondern auch neues Licht auf die Vorgänge im frühen Universum werfen oder dabei helfen, die noch immer nicht völlig verstandenen Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas in großen Teilchenbeschleunigern zu verstehen.

Rückfragehinweise:

Dipl.-Ing. Maximilian Kuhnert
Atoministitut
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801- 141874
maximilian.kuhnert@tuwien.ac.at

Prof. Jörg Schmiedmayer
Atominstitut
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801-141801
hannes-joerg.schmiedmayer@tuwien.ac.at

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.tuwien.ac.at
http://vcq.quantum.at/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern
15.09.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Höher - schneller - weiter: Der Faktor Mensch in der Luftfahrt

20.09.2017 | Veranstaltungen

Wälder unter Druck: Internationale Tagung zur Rolle von Wäldern in der Landschaft an der Uni Halle

20.09.2017 | Veranstaltungen

7000 Teilnehmer erwartet: 69. Urologen-Kongress startet heute in Dresden

20.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Drohnen sehen auch im Dunkeln

20.09.2017 | Informationstechnologie

Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen

20.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Frühwarnsystem für gefährliche Gase: TUHH-Forscher erreichen Meilenstein

20.09.2017 | Energie und Elektrotechnik