Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Atome beim Platzwechsel erwischt

21.12.2007
Mainzer Forscher beobachten grundlegenden Effekt des Quantenmagnetismus mit ultrakalten Atomen - Publikation in Science

Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, in Kollaboration mit Wissenschaftlern aus Harvard und Boston, ist es in einem Experiment mit ultrakalten Atomen gelungen, fundamentale Mechanismen des Quantenmagnetismus im Labor direkt zu beobachten und zu beeinflussen.

"Wir haben mit zwei gekoppelten Atomen eine kontrollierbare magnetische Wechselwirkung realisiert, wie sie auch in den Muttersubstanzen vieler Hochtemperatursupraleiter auftritt, also in Materialien, die gerade hoch aktuell sind", erklärt Stefan Trotzky aus der Arbeitsgruppe Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM). Die Gruppe um Prof. Dr. Immanuel Bloch untersucht die Wechselwirkung zwischen kleinsten Teilchen mithilfe ultrakalter Atome, die in Lichtgittern gefangen sind.

Die Arbeit über diese quantenphysikalischen Austauschmechanismen wurde in einer Vorabveröffentlichung für besondere wissenschaftliche Highlights des Wissenschaftsmagazins Science in Science Express am 20. Dezember 2007 online publiziert. Die dabei untersuchten Prozesse sind nicht nur für das Verständnis neuer Werkstoffe mit speziellen magnetischen und elektrischen Eigenschaften von großer Bedeutung, sondern bilden auch die Basis für chemische Bindungen in Molekülen. Darüber hinaus können sie ein wichtiger Baustein für einen Quantencomputer mit ultrakalten Atomen sein, der die Leistungsfähigkeit eines konventionellen Computers um ein Vielfaches übertreffen würde.

... mehr zu:
»Atom »Spin

Die Physiker kühlen in ihrem Experiment Atome bis nahe an den absoluten Nullpunkt auf eine Temperatur von etwa minus 273 Grad ab und halten sie dann durch ein optisches Gitter in einem "Kristall aus Licht" auf vorgeschriebenen Plätzen fest. Die Atome sitzen dort anschaulich wie Eier in einem Eierkarton. Die Besonderheit des Mainzer Experiments ist dabei, dass sich die Atome von einem bestimmten Gitterplatz aus nur zu einem einzigen benachbarten Platz und von dort wieder zurück bewegen können. Dadurch entstehen Tausende von paarweise gekoppelten Gitterplätzen, in denen sich die Dynamik weniger miteinander wechselwirkender Atome im Detail untersuchen lässt.

"In diesen Doppeltöpfen ist es uns nun gelungen, den Austausch zweier Atome mit unterschiedlichem Spin auf benachbarten Plätzen direkt zu beobachten und zu kontrollieren", so Trotzky. Unter dem Spin eines Teilchens wird eine Art Eigendrehung verstanden, die unter anderem dem Magnetismus in Festkörpern zugrunde liegt. Die Wissenschaftler haben jeweils ein Atom mit nach oben gerichtetem und eines mit nach unten gerichtetem Spin auf benachbarte Gitterplätze gesetzt. Das Durchdringen der zwischen ihnen liegenden Schranke ist dabei nach den Regeln der klassischen Physik nicht möglich - erst die Eigenart der Quantenmechanik erlaubt diesen Vorgang in Form eines Hüpf- oder Tunnelprozesses. So kommt es, dass die beiden Atome dazu in der Lage sind, ihren Platz zu tauschen. Dies lässt sich direkt beobachten, da die jeweiligen Atome sich in der Ausrichtung ihres Spins unterscheiden.

Stoßen sich die beiden Teilchen stark ab, so wird man sie niemals zusammen auf einer Seite des Doppeltopfes finden, da dieser Zustand aufgrund der Energieerhaltung nicht erlaubt ist. Allerdings beobachtet man einen Austausch der beiden Atome: War zunächst das Atom mit nach oben gerichtetem Spin auf der linken Seite zu finden, so wird es nach einer bestimmten Zeit rechts auftauchen, während das andere Atom mit entgegengerichtetem Spin von rechts nach links gewandert ist. Die Grundlage für diesen Vorgang ist ein synchroner Hüpfprozess der beiden Teilchen oder formal ein Tunnelprozess zweiter Ordnung. Bereits im Sommer war es den Mainzer Wissenschaftlern gelungen, einen ähnlichen Tunnelprozess, bei dem zwei Teilchen trotz starker Abstoßung eine Schranke nur gemeinsam überwinden, erstmals mit ultrakalten Atomen direkt zu beobachten. Hier durchqueren nun beide Atome in entgegengesetzter Richtung simultan die Barriere. Die Austauschrate, also die Häufigkeit mit der die beiden ihren Platz tauschen, hängt dabei von der Höhe der Barriere und der Stärke der Abstoßung der Atome ab. Beide Größen lassen sich im Experiment über einen weiten Bereich mit großer Genauigkeit einstellen.

Der Platzwechsel der beiden Atome mit unterschiedlichem Spin lässt sich physikalisch als eine Wechselwirkung zwischen den Spins beschreiben. Bemerkenswert ist dabei, dass kein direkter Kontakt zwischen den zwei Atomen benötigt wird. Allein die Form des Doppeltopfes, in dem die beiden Teilchen gefangen sind, bestimmt die Art der Wechselwirkung und damit die magnetischen Eigenschaften der Festkörperminiatur. Die im Experiment gezeigte Möglichkeit, die magnetische Natur des Systems kontrolliert zu verändern, ist dabei einzigartig. In Zukunft wollen die Forscher diese Eigenschaften des Systems nutzen, um exotische Vielteilchenzustände zu erzeugen, von denen einige Ausgangspunkte für neuartige Methoden des Quantenrechnens sein können.

S. Trotzky, P. Cheinet, S. Fölling, M. Feld, U. Schnorrberger, A.M. Rey, A. Polkovnikov, E.A. Demler, M.D. Lukin and I. Bloch: Time-resolved Observation and Control of Superexchange Interactions with Ultracold Atoms in Optical Lattices. Science Express, 20. Dezember 2007, DOI: 10.1126/science.1150841

Kontakt und Informationen:
Dipl.-Phys. Stefan Trotzky
Tel. +49 6131 39-25955
Fax +49 6131 39-23428
E-Mail: trotzky@uni-mainz.de
Univ.-Prof. Dr. Immanuel Bloch
Tel. +49 6131 39-26234
Fax +49 6131 39-25179
E-Mail: bloch@uni-mainz.de
Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Petra Giegerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.quantum.physik.uni-mainz.de/
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/1150841

Weitere Berichte zu: Atom Spin

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

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: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise