Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Dreikampf in der Quantenwelt

12.04.2016

Bei Phasenübergängen, etwa zwischen Wasser und Wasserdampf, konkurriert die Bewegungsenergie mit der Anziehungsenergie unmittelbar benachbarter Moleküle. Physiker der ETH Zürich haben jetzt Quanten-Phasenübergänge studiert, bei denen auch weit entfernte Teilchen einander beeinflussen.

Wenn man Wasser in einem Topf langsam bis zum Kochen erhitzt, so spielt sich in der Flüssigkeit ein spannender Zweikampf der Energien ab. Zum einen ist da die Wechselwirkungsenergie, welche die Wassermoleküle aufgrund deren gegenseitiger Anziehung zusammenhalten will; zum anderen aber versucht die durch das Erhitzen immer grösser werdende Bewegungsenergie, die Moleküle voneinander zu trennen.


Eine künstliche Quantenwelt aus Atomen und Licht: Durch das komplexe Wechselspiel zwischen kurz- und langreichweitiger Wechselwirkung ordnen sich die Atome (rot) auf einem Schachbrettmuster an.

ETH Zürich / Tobias Donner

Unterhalb des Siedepunktes behält die Wechselwirkungsenergie die Oberhand, doch sobald die Bewegungsenergie gewinnt, kocht das Wasser und wird dadurch zu Wasserdampf. Dieser Vorgang wird auch als Phasenübergang bezeichnet. Die Wechselwirkung betrifft dabei nur Wassermoleküle, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander befinden.

Forscher um Tilman Esslinger, Professor am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich, und Tobias Donner, Wissenschaftler in seiner Gruppe, haben nun gezeigt, wie man Teilchen dazu bringen kann, einander auch über grössere Entfernungen zu «spüren». Durch Hinzufügen solcher langreichweitiger Wechselwirkungen konnten die Physiker neuartige Phasenübergange beobachten, die sich aus Energie-Dreikämpfen ergeben.

Künstliche Quantenwelten

Die Experimente der Zürcher Physiker finden freilich nicht in einem Kochtopf statt, sondern in einem «Quantensimulator», einer künstlich erschaffenen Quantenwelt. Die Forscher kühlen dazu eine winzige Wolke aus Rubidium-Atomen auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt ab und fangen sie dann in einem kristallähnlichen Gitter aus Laserstrahlen ein.

Die Wechselwirkungsenergie beruht auf Zusammenstössen zwischen Atomen, die zwischen den Gitterplätzen hin und her wandern. Die Bewegungsenergie der Atome wiederum kann durch die Stärke der Laserstrahlen gesteuert werden, die bestimmt, wie beweglich die Atome im Inneren des Gitters sind.

Um schliesslich eine Wechselwirkung zwischen weit entfernten Atomen herbeizuführen, benutzen Renate Landig, Doktorandin in Esslingers Arbeitsgruppe, und ihre Kollegen einen technischen Trick. Mit Hilfe zweier hochreflektierender Spiegel bauten sie einen Resonator, der dafür sorgt, dass Lichtteilchen, die von einem der Atome abgelenkt werden, mehrmals durch die Rubidium-Wolke fliegen.

Dadurch kommen früher oder später alle Atome der Wolke mit dem abgelenkten Photon in Kontakt. Sie «spüren» dadurch die Anwesenheit des Ursprungs-Atoms, welches das Photon als erstes abgelenkt hatte. Dieses Spüren auf Distanz kommt einer effektiven Wechselwirkung mit langer Reichweite gleich. Wie stark die Atome auf diese Weise miteinander wechselwirken, lässt sich zudem mittels der Frequenz der Laserstrahlen genau kontrollieren.

«Mit Hilfe dieses Kniffes haben wir nun drei Energieskalen in unserem System, die miteinander konkurrieren: neben der Bewegungsenergie und der Wechselwirkungsenergie zusätzlich auch die Energie der langreichweitigen Wechselwirkung», erklärt Landig. «Indem wir die Bewegungsenergie und die langreichweitige Wechselwirkungsenergie verändern, können wir verschiedene neuartige Quanten-Phasenübergänge studieren.»

Phasenübergänge erster Ordnung

Einige der möglichen Phasenübergänge waren den Forschern bereits bekannt. Wenn zum Beispiel die langreichweitige Wechselwirkung sehr klein ist und die Bewegungsenergie nach und nach erhöht wird, so wechselt der Aggregatzustand der Rubidium-Wolke von einem Mott-Isolator, in dem auf jedem Gitterplatz ein Atom unbeweglich sitzt, zu einer Supraflüssigkeit, in der sich die Atome vollkommen frei bewegen können.

Erhöhen die Forscher dagegen die Energie der langreichweitigen Wechselwirkung, so passiert etwas völlig anderes: Bei einer bestimmten Stärke dieser Wechselwirkung ordnen sich die Atome spontan in einem Schachbrettmuster an, mit jeweils einem leeren Gitterplatz zwischen zwei Atomen. «Das Besondere dabei ist, dass dieser Phasenübergang, ähnlich dem von Wasser zu Wasserdampf, ein Übergang erster Ordnung ist», betont Donner. Bei solchen Phasenübergängen ändert sich eine bestimmte Eigenschaft einer Substanz schlagartig, wogegen bei Übergängen zweiter Ordnung, wie sie bislang in künstlichen Quantensystemen nachgewiesen wurden, die Änderung graduell ist.

Suprasolidität nachgewiesen

Einen weiteren ungewöhnlichen Phasenübergang konnten die Physiker herbeiführen, indem sie sowohl die Bewegungsenergie als auch die langreichweitige Wechselwirkung sehr gross werden liessen. In diesem Fall bildete sich wieder ein Schachbrettmuster im Gitter, doch diesmal bestand zwischen den Atomen eine Phasenkohärenz, das heisst, ihre quantenmechanischen Wellenfunktionen waren synchronisiert. Eine solche Kohärenz wird normalerweise nur beobachtet, wenn sich die Atome relativ frei bewegen können, wie dies etwa im supraflüssigen Zustand der Fall ist. Das gleichzeitige Bestehen eines Schachbrettmusters und der Phasenkohärenz dagegen deutet darauf hin, dass es sich hierbei um eine suprasolide Phase handelt. Der Zwitterzustand der Suprasolidität wurde bereits vor fünfzig Jahren theoretisch vorhergesagt, es erwies sich aber bisher als schwierig, ihn zweifelsfrei nachzuweisen.

In Zukunft werden Esslinger und seine Mitarbeiter solche und andere exotische Effekte in ihrem Quantensimulator genauer untersuchen. Das Ziel der Forscher ist es, einen Überblick über Quantenphänomene in zunehmend komplexen Systemen zu gewinnen. Dieser Prozess geht Hand in Hand mit der Entwicklung und Erforschung von Materialen mit besonderen Eigenschaften.

Die Forschung wurde durchgeführt im Rahmen von TherMiQ [http://www.thermiq2.eu/], einem europäischen Forschungsprojekt, das die Thermodynamik von mesoskopischen offenen Quantensystemen untersucht.

Literaturhinweis

Landig R, Hruby L, Dogra N, Landini M, Mottl R, Donner T, Esslinger T: Quantum phases from competing short- and long-range interactions in an optical lattice, Nature, 11. April 2016, doi: 10.1038/nature17409 [http://dx.doi.org/10.1038/nature17409]

News und Medienstelle | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)
Weitere Informationen:
http://www.ethz.ch

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

Poseidon goes Politics – Wer oder was regiert die Ozeane?

27.02.2017 | Veranstaltungen

Fachtagung Rapid Prototyping 2017 – Innovationen in Entwicklung und Produktion

27.02.2017 | Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Herz-Untersuchung: Kontrastmittel sparen mit dem Mini-Teilchenbeschleuniger

27.02.2017 | Medizintechnik

Neue Maßstäbe für eine bessere Wasserqualität in Europa

27.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wenn der Schmerz keine Worte findet - Künstliche Intelligenz zur automatisierten Schmerzerkennung

27.02.2017 | Medizintechnik