Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Individualismus aus Selbsterhaltungstrieb

06.06.2008
MPQ-Forscher decken strukturgebende Mechanismen in kalten molekularen Gasen auf.

Ultrakalte Quantengase aus stark korrelierten Teilchen sind wichtige Modelle für das Verständnis von Festkörpereigenschaften. Die Korrelationen zwischen Teilchen entstehen dabei gewöhnlich durch eine elastische Wechselwirkung der Teilchen untereinander. Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik aus der Abteilung Quantendynamik (Leitung: Prof. Gerhard Rempe) sowie der Abteilung Theorie (Leitung: Prof. Ignacio Cirac); unter Mitarbeit des spanischen Physikers J. García-Ripoll von der Universidad Complutense de Madrid; haben nun gezeigt, dass sich solche starken Korrelationen auch durch eine unelastische Wechselwirkung erzeugen lassen.


Kalte Moleküle (blau) werden in einem periodischen Potential festgehalten. Wird das Potential entfernt, so würden die Moleküle sich normalerweise frei bewegen. Liegt allerdings eine starke unelastische Wechselwirkung zwischen den Molekülen vor, so bleiben die Moleküle in ihrem Anfangszustand eingefroren. MPQ

Überdies unterdrücken diese Korrelationen die Verlustmechanismen, die normalerweise durch die unelastische Wechselwirkung entstehen würden (Science, 6. Juni 2008), indem sie die Teilchen voneinander ferngehalten: Moleküle, die sich in einem ellblechförmigen, optischen Gitter eigentlich in einer Richtung frei bewegen könnten, bleiben periodisch aufgereiht sitzen, um verlustbringenden Stößen zu entgehen. Das Experiment könnte den Weg weisen für das Arbeiten mit andersartigen Quantensystemen, in denen ebenfalls starke Korrelationen aufgrund unelastischer Wechselwirkungen erwartet werden dürfen.

Makroskopische Eigenschaften wie Magnetismus oder Hochtemperatursupraleitung sind das Resultat eines komplexen Zusammenspiels vieler Teilchen, die stark korreliert sind, das heißt sich in ihrem Verhalten gegenseitig stark beeinflussen. Dabei spielt eine entscheidende Rolle, ob es sich bei den Teilchen um Fermionen oder Bosonen handelt: Bosonen nehmen bei sehr tiefen Temperaturen am liebsten alle ein und denselben Zustand ein.

... mehr zu:
»Bosonen »Molekül

Im Extremfall bilden sie ein Bose-Einstein-Kondensat, in dem etwa 100 000 Teilchen zu einem Riesenatom verschmelzen und sich das einzelne Atom nicht mehr von den anderen in seinen Quanteneigenschaften unterscheidet. Fermionen in einem abgeschlossenen System müssen sich dagegen jeweils in mindestes einer Quantenzahl voneinander unterscheiden, wodurch sie zwangsläufig miteinander stark korreliert sind.

In dem hier beschriebenen Experiment jedoch legen eigentlich bosonische Moleküle genau das Verhalten von Fermionen an den Tag, und dieser Individualismus rettet sie vor gegenseitiger Zerstörung. Die Physiker beginnen mit der Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensates aus Rubidiumatomen (die zu den Bosonen zählen) und füllen dies in ein dreidimensionales "optisches Gitter". Das ist eine Art Kristall aus Licht, das durch Überlagerung von stehenden Lichtwellen aus allen drei Raumrichtungen erzeugt wird. Das resultierende Laserlichtfeld ähnelt in seiner Form einem Stapel von Eierkartons, in dessen einzelnen Mulden sich die Atome niederlassen. Jeder dieser Gitterplätze wird mit genau zwei Atomen belegt. Anschließend wird durch Anlegen eines Magnetfeldes eine so genannte Feshbach-Resonanz adressiert, wodurch sich die zuvor ungebundenen Atompaare in den Mulden zu fragilen Molekülen chemisch verbinden. Die Tiefe der Mulde ist hier zunächst so gewählt, dass die Moleküle in der Mulde gefangen sind und nicht auf Nachbarplätze abwandern können.

Was aber passiert, wenn das optische Gitter direkt im Anschluss daran so verändert wird, dass es die Form eines Stapels von Wellblechen annimmt? Eine solche Transformation der Gittergeometrie lässt sich anhand der eingestrahlten Laserleistung gezielt realisieren. Die Moleküle befinden sich nun perlenkettenförmig aufgereiht in einer Art Rinne und haben prinzipiell die Möglichkeit, sich entlang der Rinne zu bewegen. Intuitiv könnte man also erwarten, dass die Moleküle dann mit ihren Nachbarn zusammenstoßen und aufgrund ihrer fragilen Bauart dabei zerstört werden. Eine rapide Abnahme der Anzahl der Moleküle wäre die Folge.

Erstaunlicherweise zeigt sich jedoch im Experiment, dass sich die Teilchen nicht vom Fleck rühren und nicht miteinander kollidieren. Warum das so ist, erklärt Dominik Bauer, Doktorand am Experiment: "Eigentlich kann man sich die Moleküle wie fragile Seifenblasen vorstellen. Wenn sie sich entlang der Rinne zu nahe kämen und mit einem Nachbarn zusammenstießen, würden beide zerfallen. Da die Moleküle aber von der Quantenmechanik beherrscht werden, tun sie dies nicht. Stattdessen halten sie von vornherein Abstand voneinander. Obwohl sie Bosonen sind, zeigen sie somit ein Verhalten, dass man so eigentlich nur von Fermionen kennt. Im Fachjargon gesprochen: das molekulare, bosonische Gas ist fermionisiert."

Die Ergebnisse dieses Experiments zeigen Möglichkeiten auf, starke Korrelationen in Quantensystemen zu realisieren, die aufgrund der heftigen Wechselwirkung der Teilchen eigentlich unter hohen Verlusten leiden würden. In solchen Systemen sollten sich daher - so hofft man - Rahmenbedingungen schaffen lassen, die Verluste so weit reduzieren, dass Experimente innerhalb vernünftiger Zeitspannen durchzuführen sind. Aufgrund der allgemeinen Natur der im Experiment aufgedeckten Mechanismen könnten sich damit nicht nur für die Physik kalter Gase, sondern auch für ein viel breiteres Spektrum der Naturwissenschaften neue Perspektiven eröffnen. [O. M.]

Originalveröffentlichung:
N. Syassen, D. M. Bauer, M. Lettner, T. Volz, D. Dietze, J. J. Garcia-Ripoll, J. I. Cirac, G. Rempe, S. Dürr
"Strong Dissipation Inhibits Losses and induces Correlations in Cold Molecular Gases"

Science, 6. Juni 2008

Kontakt:

Prof. Dr. Gerhard Rempe
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Telefon: +49 - 89 / 32905 - 701
Fax: +49 - 89 / 32905 - 311
E-Mail: gerhard.rempe@mpq.mpg.de
Prof. Dr. Ignacio Cirac
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Telefon: +49 - 89 / 32905 - 736
Fax: +49 - 89 / 32905 - 336
E-Mail: ignacio.cirac@mpq.mpg.de
Dipl. phys. Dominik Bauer
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 - 89 / 32905 - 377
Fax: +49 - 89 / 32905 - 311
E-Mail: dominik.bauer@mpq.mpg.de
Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse & Kommunikation
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 - 89 / 32905 - 213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de

Weitere Berichte zu: Bosonen Molekül

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

200 Weltneuheiten beim Innovationstag Mittelstand in Berlin

26.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Wie digitale Technik die Patientenversorgung verändert

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Naturkatastrophen kosten Winzer jährlich Milliarden

26.04.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie