Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neuer Materiezustand ultrakalter Atome entdeckt

08.01.2002


Münchner Wissenschaftlern gelingt erstmals die Überführung von Materiewellen (Bose-Einstein-Kondensat) in ein Teilchengitter (Mott-Insulator-Zustand) und zurück


Über die Entdeckung eines neuen Materiezustands nahe dem absolutem Nullpunkt berichten Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München am 3. Januar 2002 in der internationalen Fachzeitschrift "Nature". Mit Hilfe eines dreidimensionalen Lichtkristalls gelang es ihnen, ein superfluides Bose-Einstein-Kondensat in einen so genannten Mott-Isolator-Zustand und wieder zurück zu überführen. In einem Bose-Einstein-Kondensat sind die Atome wellenartig über das Lichtgitter hinweg ausgedehnt, während sie im Mott-Isolator auf einzelne Gitterplätze mit einer fester Atomzahl festgelegt sind und so ein Teilchengitter bilden. Diese Phase wurde zuerst von dem Physiker Sir Neville Mott 1974 im Rahmen von Metall-Isolator-Übergängen in Festkörpern vorausgesagt. Mott wurde u.a. für diese Arbeiten 1977 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Der jetzt entdeckte Mott-Isolator am absoluten Temperaturnullpunkt erlaubt in idealer Weise, fundamentale Fragen der Festkörperphysik, der Quantenoptik sowie der Atomphysik zu untersuchen und eröffnet neue Perspektiven für Quantencomputer.

Im Jahr 2001 wurde der Physik-Nobelpreis für bahnbrechende Arbeiten zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten vergeben. In einem solchen Kondensat, nahe am absoluten Temperaturnullpunkt, verlieren alle Atome ihre Individualität. Es entsteht ein wellenartiger Zustand der Materie, der sich in mancher Hinsicht mit Laserlicht vergleichen lässt. Ausgehend von einem solchen atomaren Bose-Einstein-Kondensat ist es den Münchner Forschern mit einem Kollegen der ETH Zürich jetzt erstmals gelungen, einen neuen Materiezustand in der Atomphysik zu erreichen.


Dazu speicherten sie ein Bose-Einstein-Kondensat in einem dreidimensionalen Kristall aus laser-pinzettenartigen winzigen Lichtfallen. Durch eine Änderung der Lichtstärke dieses Gitters konnten die Forscher die Eigenschaften dieses Kondensats dramatisch verändern und einen Übergang von der superfluiden Phase des Bose-Einstein-Kondensats in eine so genannte Mott-Isolator-Phase herbeiführen. Ist die Lichtstärke des Gitters, in dem die Atome gefangen sind, nur gering, so befinden sich alle Atome noch in der superfluiden Phase des Bose-Einstein-Kondensats. In diesem Zustand ist nach den Gesetzen der Quantenmechanik jedes einzelne von ihnen über das gesamte Lichtgitter hinweg wellenartig ausgedehnt. Dieses Atomgas kann sich leicht durch das Gitter hindurch bewegen.


Materiewellen-Interferenzmuster eines Quantengases, das in einem dreidimensionalen Lichtgitter mit mehr als 100.000 besetzten Gitterplätzen gespeichert wurde. Die Abbildungen von links nach rechts: Interferenzmuster mit hohem Kontrast im superfluiden Regime eines Bose-Einstein-Kondensats; Interferenzmuster nach einem Quantenphasenübergang in einen Mott-Isolator ohne Phasenkohärenz; Wiederhergestellte Phasenkohärenz nach einem Quantenphasenübergang von einem Mott-Isolator zurück in ein Bose-Einstein-Kondensat.
Foto: Max-Planck-Institut für Quantenoptik


Erhöhten die Forscher aber die Stärke des Lichtgitters, so konnten sie jedoch eine Umwandlung des superfluiden Kondensats in einen isolierenden Zustand beobachten, bei dem jeder Gitterplatz mit einer exakt definierten Anzahl von Atomen besetzt war. In diesem Fall wird die Bewegung der Atome durch das Gitter aufgrund der abstoßenden Wechselwirkung zwischen ihnen blockiert. Die Physiker Markus Greiner, Olaf Mandel, Tilman Esslinger, Theodor W. Hänsch und Immanuel Bloch zeigten in ihren Experimenten, dass der Phasenübergang zwischen der superfluiden und der Mott-Isolator-Phase in beide Richtungen durchschritten werden kann. Dieser Übergang wird als Quantenphasenübergang bezeichnet, denn er findet nur am absoluten Temperaturnullpunkt statt. Der Übergang zwischen den Phasen wird dann allein durch die von der Heisenbergschen Unschärferelation vorausgesagten Quantenfluktuation ermöglicht, denn alle thermischen Fluktuationen, die normalerweise einen Phasenübergang bewirken, sind dann bereits "ausgefroren".

Mit ihren Experimenten ist den Münchner Forschern gelungen, ein neues Kapitel in der Physik ultrakalter Atome aufzuschlagen. "Mit diesem Experiment gehen wir einen deutlichen Schritt über ein Bose-Einstein-Kondensat hinaus", stellt Immanuel Bloch, einer der Quantenphysiker, fest. "Im Mott-Isolator-Zustand lassen sich Atome nicht mehr mit den bisher erfolgreichen Theorien für Bose-Einstein-Kondensate beschreiben, sondern müssen aufgrund ihrer Wechselwirkungen miteinander mit Hilfe neuer Theorien beschrieben werden, die bisher weit weniger gut verstanden sind."

Der neue Materiezustand des Mott-Isolators wird den Wissenschaftlern helfen, fundamentale Fragen der Physik stark korrelierter Systeme, die u.a. die Grundlage für unser Verständnis der Supra-leitung bilden, zu klären. Außerdem eröffnet der Mott-Isolator-Zustand vielfältige neue Perspektiven für hochgenaue Materiewellen-Interferometer und Quantencomputer.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Immanuel Bloch und Prof. Theodor W. Hänsch
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Ludwig-Maximilian-Universität München
Tel.: 0 89 / 21 80 - 37 04 bzw. - 32 12
Fax: 0 89 / 28 51 92
E-Mail: imb@mpq.mpg.de und t.w.haensch@physik.uni-muenchen.de

| Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/~haensch/bec/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: Wie Proteine Zellmembranen verformen

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor Oliver Daumke vom MDC erforscht. Er und sein Team haben nun aufgeklärt, wie sich diese Proteine auf der Oberfläche von Zellen zusammenlagern und dadurch deren Außenhaut verformen.

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor...

Im Focus: Safe glide at total engine failure with ELA-inside

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded after a glide flight with an Airbus A320 in ditching on the Hudson River. All 155 people on board were saved.

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded...

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Neurobiologie - Vorausschauend teilen

27.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Energieeffiziente Reinigung von Industrieabgasen

27.02.2017 | Energie und Elektrotechnik

Wie Proteine Zellmembranen verformen

27.02.2017 | Biowissenschaften Chemie