Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kaffeesatzlesen im Quantenrauschen

08.12.2006
Physiker der Universität Mainz gewinnen Informationen aus den zufälligen Mustern in Atomwolken und können damit einen fundamentalen Effekt der Quantenphysik erstmals an Atomen nachweisen.

Störendes Rauschen umgibt uns alltäglich in unserer Umwelt. So tritt es zum Beispiel bei schlechtem Handyempfang oder beim Flimmern des Fernsehers auf. In technischen Anwendungen versucht man dieses Rauschen so weit wie möglich zu vermeiden.

Doch selbst wenn alle Störeinflüsse beseitigt sind, verbleibt nach den Gesetzen der Quantenphysik ein gewisses Quantenrauschen, das prinzipiell nicht umgangen werden kann. Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz konnten dieses Quantenrauschen in ultrakalten atomaren Gaswolken nun nutzbar machen und zeigen, dass subtile Verbindungen in diesem Rauschen bestehen können, aus denen sich Informationen über einen früheren Zustand perfekter Ordnung der Atome gewinnen lassen. Die Ergebnisse der Mainzer Forscher werden in der aktuellen Ausgabe des renommierten Wissenschaftsmagazins Nature vorgestellt.

Die Forschungsergebnisse eröffnen den Physikern der Arbeitsgruppe von Prof. Immanuel Bloch einen neuen Weg, komplexe quantenmechanische Systeme aus vielen Teilchen zu untersuchen. Ein tieferes Verständnis dieser Systeme kann unter anderem dazu beitragen, die Rätsel der Hochtemperatur-Supraleitung zu lösen.

... mehr zu:
»Atom »Quantenrauschen »Teilchen

Die Forscher nutzen dabei das in vielen Bereichen eingesetzte Verfahren der Korrelationsanalyse. In den Wirtschaftswissenschaften werden beispielsweise Aktienkurse verschiedener Zeiten miteinander in Beziehung gesetzt, um Trends zu erkennen und Vorhersagen zu treffen. Der Kurs einer einzelnen Aktie hängt dabei von vielen unterschiedlichen Faktoren ab, von denen die meisten für jede Aktie spezifisch sind. Werden jedoch Korrelationen - also ähnliche Entwicklungen - zwischen den Kursen unterschiedlicher Aktien nachgewiesen, so kann dies auf "versteckte" gemeinsame Faktoren, zum Beispiel steigende Rohstoffpreise, hinweisen. Statt Beziehungen zwischen Aktienwerten analysieren die Mainzer Forscher - basierend auf einem Vorschlag von Physikern der Harvard University - das Quantenrauschen in Bildern atomarer Gaswolken und konnten damit Informationen über den ursprünglichen Zustand der Atome gewinnen.

Für ihr Experiment kühlen die Mainzer Wissenschaftler dünne Wolken fermionischer Atome auf extrem niedrige Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt, der bei etwa minus 273 Grad Celsius liegt, ab. Anschließend werden die Teilchen in einen künstlichen Kristall aus Licht transferiert, welcher durch die geschickte Überlagerung mehrerer Laserstrahlen erzeugt wird. Für die Atome bildet der Lichtkristall eine regelmäßige Anordnung mikroskopischer Töpfchen, in denen sie gefangen werden. Aufgrund ihrer niedrigen Temperatur streben die Atome in den Bereich kleinster potentieller Energie im Zentrum des Kristalls. Da es sich bei den Teilchen um "individualistische" Fermionen handelt, kann jedes "Potentialtöpfchen" nur ein Atom aufnehmen. Dieses Verhalten ist allein auf das Pauli-Prinzip - eine fundamentale Quanteneigenschaft - zurückzuführen. Als Konsequenz reihen sich die Atome entlang der Kristallachsen wie an Perlenschnüren auf und bilden eine perfekt geordnete mikroskopische Struktur.

Sobald das Laserlicht abrupt abgeschaltet wird, löst sich der Kristall auf und die Atome können sich frei im Raum ausbreiten. Durch die individuelle Bewegung der einzelnen Atome geht ihre ursprüngliche Ordnung verloren. Nach einer kurzen Zeit hat sich die Atomwolke soweit ausgedehnt, dass sie photographiert werden kann. Die Korrelationen innerhalb des Rauschens hängen nun entscheidend von der Natur der Teilchen ab.

In der Quantenphysik unterscheidet man zwischen zwei Klassen von Teilchen: Bosonen und Fermionen. Die Teilchen aus den jeweiligen Klassen weisen ein fundamental unterschiedliches "Sozialverhalten" auf. Während Bosonen geselliger Natur sind und sich bevorzugt am selben Ort aufhalten, sind Fermionen strikte Einzelgänger. Sie folgen dabei dem Pauli-Prinzip, welches eine mehrfache Besetzung desselben Quantenzustandes durch identische Teilchen verbietet. So sind zum Beispiel die Elektronen in der Hülle eines Atoms fermionische Teilchen. Wie die untersten Sprossen einer Leiter werden daher die niedrigsten Umlaufbahnen in der Hülle des Atoms von jeweils nur einem Elektron besetzt. Insbesondere erklärt sich aus diesem Prinzip, warum Materie nicht einfach in sich zusammenstürzt. Neben den fermionischen Grundbausteinen des Atoms (Elektronen und Nukleonen) kann auch das Atom selbst als zusammengesetztes Teilchen wiederum ein Fermion sein.

Im Jahr 1956 führten die Pioniere der Quantenoptik Robert Hanbury Brown und Richard Twiss ein Aufsehen erregendes Experiment durch, in welchem sie Korrelationen zwischen Photonen (Lichtteilchen) mit zwei Detektoren in einem bestimmten Abstand nachwiesen. Dabei beobachteten sie zum ersten Mal das für bosonische Teilchen charakteristische "Bunching", das bevorzugte gemeinsame Auftreten. Die beiden Forscher konnten diese Rauschkorrelationen nutzen, um Informationen über Eigenschaften der Lichtquelle, in diesem Fall zum Beispiel den Durchmesser weit entfernter Sterne, zu erhalten.

Fünfzig Jahre später gelingt bei dem Mainzer Experiment das Pendant mit der erstmaligen Beobachtung von fermionischem Anti-Bunching an nicht wechselwirkenden Atomen. Wird ein fermionisches Atom an einem Ort nachgewiesen, so kann in bestimmten Abständen kein weiteres Atom nachgewiesen werden. Diese Abstände sind durch die ursprüngliche regelmäßige Anordnung der Atome im Lichtkristall bestimmt. Mit der Beobachtung dieses fundamentalen Quanteneffektes demonstrieren die Mainzer Wissenschaftler eine Methode, die zukünftig für den Nachweis komplexerer Ordnungen der Atome eingesetzt werden kann. So können unter anderem Zustände untersucht werden, die als Schlüssel zur Hochtemperatur-Supraleitung diskutiert werden.

Kontakt und Informationen:
Univ.-Prof. Immanuel Bloch
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Tel. +49 6131 39-26234
Fax +49 6131 39-25179
E-Mail: bloch@uni-mainz.de

Petra Giegerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-mainz.de

Weitere Berichte zu: Atom Quantenrauschen Teilchen

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

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,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie