Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kalte Kollisionen im Bose-Einstein-Kondensat

05.09.2002


Münchener Grundlagenforscher entdecken ungewöhnliche Eigenschaft von Materiewellen


Einen neuen Zustand der Materie bekommen die Grundlagenforscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität immer besser in den Griff: Markus Greiner, Olaf Mandel, Theodor W. Hänsch und Immanuel Bloch konnten jetzt erstmals experimentell zeigen, dass Materiewellen aus Bose-Einstein-Kondensaten ständig wiederkehrend kollabieren und kurz darauf wieder aufleben. Die Ursache dieses quantenmechanischen Effekts, über den die Forscher in der neuesten Ausgabe vom 5. September 2002 der britischen Fachzeitschrift "nature" berichten, eröffnet neue Perspektiven für künftige Quantencomputer.


Im Jahr 2001 wurde der Physik-Nobelpreis für bahnbrechende Arbeiten zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten vergeben. Das ist - neben den bisherigen vier Aggregatszuständen fest, flüssig, gasförmig und Plasma - eine völlig neuartige Form von Materie: Wenige milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt verlieren die in einem magnetischen Käfig eingesperrten einzelnen Atome eines Gases ihre Eigenständigkeit und verhalten sich wie ein einziges, quantenmechanisches Objekt, eine Art "Superatom". In diesem Anfang der zwanziger Jahre zuerst von dem indischen Physiker Satyendra Nath Bose (1894-1974) und Albert Einstein (1879-1955) in einem "Gedankenexperiment" beschriebenen Bose-Einstein-Kondensat haben alle Atome dieselben physikalischen Eigenschaften, gemeinsam besetzen sie das tiefstmögliche Energieniveau. Das Kondensat verhält sich wie eine einzige Welle, die Atome marschieren quasi im Gleichschritt.


Bisher hat man angenommen, dass die Materiewelle eines Bose-Einstein-Kondensats immer stabil bleibt und sich damit wie die Lichtwelle eines Lasers verhält (bei dem extrem reines Licht einer Wellenlänge exakt im gleichen Takt - kohärent - schwingt). Im Unterschied zum Laserlicht können die Atome eines Bose-Einstein-Kondensats jedoch miteinander kollidieren. Diese Zusammenstöße führen zu dem quantenmechanischen Effekt, den die Münchner Forscher jetzt zum ersten Mal beobachtet haben: Der wellenartige Zustand der Materie kollabiert und lebt, unter bestimmten Voraussetzungen, kurze Zeit später wieder auf. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrfach. "Bei Laserlicht passiert dies nicht, denn Photonen können nicht miteinander kollidieren", erläutert Markus Greiner vom Garchinger Max-Planck-Institut für Quantenoptik.

Der wellenartige Zustand der Materie lässt sich - genau wie Laserlicht - durch ein Interferenzexperiment nachweisen. Dazu überlagern die Forscher Materiewellen von über 100.000 Bose-Einstein-Kondensaten miteinander. An den meisten Orten löschen sich die Wellen aus. Nur an einigen Stellen addieren sie sich konstruktiv und bilden so ein Interferenzmuster (siehe Abbildung). Kollabiert die Materiewelle, so verschwindet auch das Interferenzmuster und es bleibt nur noch eine diffuse Wolke von Atomen sichtbar. Lebt die Materiewelle jedoch wieder auf, erscheint auch das Interferenzmuster von neuem. Bis zu fünf aufeinander folgende Zyklen aus kollabierender und wieder auflebender Materiewelle wurden so beobachtet.

"Abbildung: Interferierende Materiewellen von 100.000 Bose-Einstein-Kondensaten: Wenn die Materiewellen kollabieren und nach etwa 600 Mikrosekunden wieder aufleben, verschwindet auch das Interferenzmuster und erscheint von neuem. Bis zu fünf aufeinanderfolgende Zyklen haben die Münchner Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität beobachtet"
"Foto: Max-Planck-Institut für Quantenoptik"

Der Kollaps der Materiewelle wird durch zahlreiche Zusammenstöße zwischen den Atomen verursacht. Das darauffolgende Wiederaufleben der Materiewelle zeigt den Forschern jedoch eindrucksvoll, dass bei diesen ultrakalten Temperaturen Kollisionen nicht, wie man erwarten könnte, Unordnung verursachen, sondern völlig geordnet und kontrolliert ablaufen.

Innsbrucker Physiker um Peter Zoller und Münchner Wissenschaftler um Hans Briegel haben kürzlich ein vielversprechendes Schema für einen Quantencomputer vorgeschlagen, das auf diesen kalten Kollisionen aufbaut. Dabei sollen Ketten von Atomen als Rechenregister kontrolliert auf einem Gitter angeordnet werden und durch kontrollierte Zusammenstöße mit einander wechselwirken. Die jetzt gelungenen Experimente demonstrieren die Funktionsweise dieser Kollisionen und sind somit ein erster wichtiger Schritt in diese Richtung.

Bei künftigen Quantencomputern versucht man als kleinste Informationseinheit zwei verschiedene Zustände eines einzelnen Quantensystems zu nutzen, das jedoch auch in einer Überlagerung der zwei Zustände existieren kann. Anders als bei herkömmlichen Computern, bei der eine Rechnung nach der anderen abgearbeitet werden muss, könnten Quantencomputer durch solche Überlagerungen gleichzeitig viele Operationen ausführen und wären damit für bestimmte Aufgaben klassischen Rechnern weit überlegen.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Immanuel Bloch
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Ludwig-Maximilians-Universität, München
Tel.: 0 89 / 21 80 - 37 04
Fax: 0 89 / 28 51 92
E-Mail: imb@mpq.mpg.de
Internet: http://www.mpq.mpg.de/~haensch/bec/

Prof. Theodor W. Hänsch
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Ludwig-Maximilians-Universität, München
Tel.: 0 89 / 21 80 - 32 12
Fax.: 0 89 / 28 51 92
E-Mail: t.w.haensch@physik.uni-muenchen.de

Dr. Bernd Wirsing | Presseinformation

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Schnell wachsende Galaxien könnten kosmisches Rätsel lösen – zeigen früheste Verschmelzung
26.05.2017 | Max-Planck-Institut für Astronomie

nachricht 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften