Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eiskalter Blick zum Urknall - Zu neuen Materiezuständen in ultrakalten Atomgemischen

18.03.2011
Einen Meilenstein in der Erforschung von Quantengasmischungen haben Forscher des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Innsbruck erreicht.

Der Gruppe um Rudolf Grimm und Florian Schreck gelang es erstmals, in einem Quantengas zwischen zwei fermionischen Elementen, Lithium-6 und Kalium-40, eine starke Wechselwirkung kontrolliert herzustellen. Ein solches Modellsystem verspricht nicht nur neue Einsichten in die Festkörperphysik, sondern zeigt auch verblüffende Analogien zur Urmaterie kurz nach dem Big Bang.


Der Forschungsgruppe um Rudolf Grimm und Florian Schreck gelang es erstmals, in einem Quantengas zwischen zwei fermionischen Elementen, Lithium-6 (blau) und Kalium-40 (rot), eine starke Wechselwirkung kontrolliert herzustellen. Grafik: Ritsch

In den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall bestand das gesamte Universum Theorien nach aus einem Quark-Gluon-Plasma. Auf der Erde lässt sich diese „Ursuppe“ in großen Teilchenbeschleunigern beobachten, wenn zum Beispiel Kerne von Bleiatomen mit annähernder Lichtgeschwindigkeit aufeinander geschossen und mit Detektoren die dabei entstehenden Produkte untersucht werden. Nun gelang es Quantenphysikern um Prof. Rudolf Grimm und Dr. Florian Schreck vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) gemeinsam mit italienischen und australischen Forschern erstmals, Teilchenwolken aus Lithium-6 und Kalium-40-Atomen kontrolliert wechselwirken zu lassen. Sie konnten damit ein Modellsystem etablieren, das sich ähnlich verhält wie das um mehr als 20 Größenordnungen energetisch stärkere Quark-Gluon-Plasma.

Quantengas zerfließt gemeinsam

Bereits 2008 bestimmten die Innsbrucker Physiker in einer Quantengasmischung aus Lithium- und Kaliumatomen sogenannte Feshbach-Resonanzen, mit denen sie die quantenmechanische Wechselwirkung zwischen den Teilchen über ein Magnetfeld beliebig verändern können. Inzwischen haben sie alle technischen Herausforderungen gemeistert und können als weltweit erste auch sehr hohe Wechselwirkungen zwischen den Teilchen herstellen. „Die Magnetfelder müssen dazu auf ein Hunderttausendstel genau justiert und sehr präzise kontrolliert werden“, erklärt Florian Schreck, der im Vorjahr mit dem START-Preis ausgezeichnet wurde.

In dem Experiment präparieren die Physiker in einer optischen Falle die ultrakalten Gase aus Lithium-6 und Kalium-40-Atomen und legen sie übereinander, wobei die kleinere Wolke der schwereren Kaliumatome sich im Zentrum der Lithiumwolke befindet. Nach dem Abschalten der Falle beobachten sie bei unterschiedlich starken Magnetfeldern die Expansion des Quantengases. „Bei starker Wechselwirkung der Teilchen verhalten sich die Gaswolken plötzlich hydrodynamisch“, erzählt Schreck. „Im Zentrum der Teilchenwolke - dort wo die Kaliumatome mit den Lithiumatomen wechselwirken - bildet sich ein elliptischer Kern. Außerdem passen die unterschiedlich schweren Teilchen ihre Expansionsgeschwindigkeiten aneinander an.“ Aus der Theorie weiß man, dass beide Phänomene auf hydrodynamisches Verhalten des Quantengases schließen lassen. „Dieses Verhalten ist das auffälligste Phänomen, das in Quantengasen beobachtet werden kann, wenn Teilchen stark miteinander wechselwirken“, sagt Rudolf Grimm. „Dieses Experiment eröffnet damit ein neues Gebiet der Vielteilchenphysik.“

Tür zu spannenden Experimenten

Auch Hochenergiephysiker machen diese zwei Beobachtungen, wenn sie in Teilchenbeschleunigern Quark-Gluon-Plasmen herstellen. Unter sehr gut kontrollierten Laborbedingungen kann das Innsbrucker Quantengasexperiment damit als Modellsystem für Phänomene im Universum kurz nach dem Urknall gesehen werden. „Wir können daran aber vor allem auch sehr vielen Fragen der Festkörperphysik modellhaft untersuchen“, freut sich Rudolf Grimm, der das Quantengasgemisch nun mit seinem Team weiter untersuchen will. „Ein großes Ziel ist es, Quantenkondensate herzustellen, wie z.B. Bose-Einstein-Kondensate von aus Lithium- und Kaliumatomen gebildeten Molekülen. Dies wird unsere Möglichkeiten, neuartige Materiezustände zu realisieren, noch erheblich erweitern.“

Die Physiker berichten in der Fachzeitschrift Physical Review Letters über die neuen Ergebnisse. Unterstützt wurden sie bei ihrer Arbeit vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF durch den Spezialforschungsbereich FoQuS und von der European Science Foundation ESF im Programm EuroQUAM, sowie mit dem Wittgenstein-Preis durch den FWF und das österreichische Wissenschaftsministerium.

Publikation: Hydrodynamic Expansion of a Strongly Interacting Fermi-Fermi Mixture. A. Trenkwalder, C. Kohstall, M. Zaccanti, D. Naik, A. I. Sidorov, F. Schreck, R. Grimm. Physical Review Letters 106, 115304 (2011)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.115304
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.115304
Kontakt:
Dr. Florian Schreck
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Technikerstr. 21a, A-6020 Innsbruck
T: +43 512 507 4715
E-Mail: florian.schreck@oeaw.ac.at
Web: http://www.ultracold.at/
Dr. Christian Flatz
Public Relations
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Otto-Hittmair-Platz 1, 6020 Innsbruck, Austria
Mobil: +43 650 5777122
E-Mail: pr-iqoqi@oeaw.ac.at

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck
Weitere Informationen:
http://www.iqoqi.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Sterngeburt in den Winden supermassereicher Schwarzer Löcher
28.03.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Das anwachsende Ende der Ordnung
27.03.2017 | Universität Konstanz

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: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

Zweites Symposium 4SMARTS zeigt Potenziale aktiver, intelligenter und adaptiver Systeme

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Warum der Brennstoffzelle die Luft wegbleibt

28.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chlamydien: Wie Bakterien das Ruder übernehmen

28.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Sterngeburt in den Winden supermassereicher Schwarzer Löcher

28.03.2017 | Physik Astronomie