Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Synchron durch die Barriere - Abstoßung hält Atome beim Tunneln zusammen

30.08.2007
Mainzer Quantenphysiker erbringen direkten Nachweis für Paar-Tunnelprozess bei ultrakalten Atomen - Veröffentlichung in Nature

Physiker an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz konnten zum ersten Mal beobachten, wie zwei miteinander stark wechselwirkende Atome gemeinsam durch eine Barriere tunneln. "Die Theorie der Quantenmechanik sagt, dass diese zwei Atome nicht alleine tunneln können, sondern nur zusammen als Paar, obwohl sie sich gegenseitig abstoßen.

In unserem Experiment können wir diesen Prozess jetzt erstmals auch direkt sehen", erläutert Simon Fölling aus der Arbeitsgruppe Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM). Die Gruppe um Univ.-Prof. Dr. Immanuel Bloch untersucht solche Tunnelprozesse anhand von ultrakalten Atomen, die in Lichtgittern gefangen sind. Das Ziel dabei ist, Vorgänge in echten kristallinen Materialien, wie etwa den Magnetismus, besser zu verstehen. Die Beobachtungen und den Nachweis des Atom Co-Tunnelling hat das Wissenschaftsjournal Nature in seiner neuesten Ausgabe publiziert (Nature 448, 1029-1032).

Es gehört zu den Eigenarten der Quantenmechanik, dass Materieteilchen durch eine eigentlich undurchdringliche Schranke nicht gestoppt werden, sondern sie passieren können. Der als "Tunneln" bezeichnete Prozess wird in Mainz mit Hilfe von ultrakalten Quantengasen untersucht, die am absoluten Temperaturnullpunkt bei etwa minus 273 Grad Celsius in einem Lichtgitter festgehalten werden. "Man kann sich das so vorstellen, dass dann in dem Lichtgitter jedes Atom auf einem bestimmten Gitterplatz sitzt wie ein Ei in einem Eierkarton", so Fölling. Nach den Vorstellungen der klassischen Physik würden die Atome auf ihrem jeweiligen Platz unbeweglich festsitzen. Nach den Prinzipien der Quantenmechanik dagegen können sie die Lichtbarriere von einer Seite zur anderen durchlaufen. Um diesen Effekt genauer zu untersuchen, haben die Mainzer Quantenphysiker einen modifizierten "Eierkarton" aus Licht gebaut, bei dem das Tunneln von jedem Platz nur zu genau einem der benachbarten Plätze im Gitter möglich ist. Es entsteht eine "Doppeltopffalle", in der ein einzelnes Atom durch Tunneln zwischen den beiden Plätzen hin- und herwandern kann und dies bis in die Unendlichkeit tun würde, da keine Reibung es bremst.

... mehr zu:
»Atom »Tunnel »Tunnelprozess

Das eigentliche Interesse der Forscher liegt jedoch in der Beobachtung von miteinander wechselwirkenden Atomen. Dazu setzen sie genau zwei Atome, welche sich gegenseitig abstoßen, auf eine Seite eines Doppeltopfes. Je nachdem wie stark diese beiden Atome wechselwirken, gibt es nun zwei Möglichkeiten, wie sie sich verhalten. Im ersten Fall wird das Experiment so angelegt, dass die Abstoßung klein und die Tunnelrate, also die Häufigkeit mit der die Atome von einer Seite der Barriere zur anderen wandern können, hoch ist. Hier zeigt sich, dass die beiden Atome gleichzeitig oder nacheinander von links nach rechts und zurück tunneln.

Im zweiten Fall ist die Wechselwirkung zwischen den beiden Atomen stärker und die Tunnelrate ist kleiner beziehungsweise die Tunnelbarriere höher. "Jetzt passiert etwas Erstaunliches: Zwischen den beiden Atomen herrscht eine starke Abstoßung, und intuitiv würde man erwarten, dass sie sich deshalb einzeln auf den Plätzen links und rechts der Barriere einrichten. Dies wäre auch ihr bevorzugter Zustand. Tatsächlich beobachtet man aber, dass sich die Atome nicht voneinander trennen und nicht einzeln tunneln. Wenn überhaupt, können sie nur gemeinsam die Barriere durchlaufen", erklärt Fölling. Das Phänomen tritt deswegen auf, weil bei einer Trennung des Atompaars Energie frei würde, die jedoch mangels Reibungsverlusten nicht "entsorgt" werden kann. Nach dem Energieerhaltungssatz müssen die beiden daher zusammenbleiben - "repulsively bound pairs" oder "Paar, das durch Abstoßung zusammengehalten wird" tauften Innsbrucker Forscher 2006 eine solche Verbindung.

Dass die beiden sich abstoßenden und doch aneinandergeketteten Atome tatsächlich als Paar tunneln können, haben die Mainzer Experimente jetzt sichtbar gemacht. Ein solcher Vorgang, bei dem das Tunneln einzelner Teilchen nicht möglich ist, das eines Paares hingegen schon, wird "Tunnelprozess zweiter Ordnung" oder "Paartunneln" genannt. Es ist in einer solchen Anordnung sogar möglich, dass ein Atom dazu dient, den Tunnelprozess bei einem anderen Atom auszulösen, also die Funktion eines Schalters für das Tunneln hat - ein Effekt, der für Elektronen bekannt ist und zur Verwendung in der Elektronik erforscht wird. In erster Linie aber dient die Untersuchung komplexer Tunnelprozesse mit Atomen als Modellsystem dazu, das Verhalten von Elektronen in der Kristallstruktur gewöhnlicher Materialien besser zu verstehen: Hier bewirken Tunnelprozesse zweiter Ordnung von Elektronen die gemeinsame Ausrichtung der sogenannten Spins im Material und erzeugen damit in vielen Materialien deren magnetische Eigenschaft.

S. Fölling, S. Trotzky, P. Cheinet, M. Feld, R. Saers, A. Widera, T. Müller and I. Bloch: Direct Observation of Second Order Atom Tunnelling. Nature 448, 1029-1032, 30 August 2007; doi:10.1038/nature06112

Kontakt und Informationen:
Dipl.-Phys. Simon Fölling
Tel. +49 6131 39-25955
Fax +49 6131 39-23428
E-Mail: foelling@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/bec/index.html
http://www.nature.com/nature/journal/v448/n7157/full/nature06112.html

Weitere Berichte zu: Atom Tunnel Tunnelprozess

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin e.V.

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: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie