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 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