Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Heidelberger Physiker erzeugen ultrakaltes Designer‐Atom

15.04.2011
Synthetisches Quantensystem kann dazu beitragen, fundamentale Wenigteilchensysteme besser zu verstehen

In Experimenten mit ultrakalten Lithiumatomen ist es Heidelberger Physikern gelungen, ein einstellbares Wenigteilchensystem, ein „künstliches Atom“, reproduzierbar zu präparieren.

Durch das hohe Maß an Einstellbarkeit dieses Systems, die nicht nur die Anzahl der Konstituenten, sondern auch deren Wechselwirkung untereinander umfasst, kann ein solches „Designer‐Atom“ dazu beitragen, fundamentale Wenigteilchensysteme in der Natur besser zu verstehen. Durchgeführt wurden die Experimente von Wissenschaftlern der Universität Heidelberg und des Max‐Planck‐Instituts für Kernphysik unter Leitung von Prof. Dr. Selim Jochim vom Physikalischen Institut. Die Veröffentlichung der Forschungsergebnisse erfolgte jetzt in „Science“.

Systeme, die aus einer kleinen, wohldefinierten Anzahl von Teilchen bestehen, sind die Bausteine der Materie. Beispiele dafür sind Atomkerne, die aus Protonen und Neutronen zusammengesetzt sind, oder Atome, die aus einem Kern und einer gewissen Anzahl Elektronen bestehen. Die Eigenschaften von Atomen und Kernen sind von der Natur eindeutig festgelegt. Daher sind Messungen an solchen Systemen im Prinzip perfekt reproduzierbar. Darauf basieren zum Beispiel Atomuhren, die diese Reproduzierbarkeit nutzen, um die Zeit mit extremer Präzision zu messen.

„Der Preis für diese hohe Reproduzierbarkeit ist allerdings, dass sich die Eigenschaften dieser Systeme nur in sehr begrenztem Maße verändern lassen. Deshalb wird mit einer Vielzahl verschiedener Ansätze daran gearbeitet, synthetische Wenigteilchensysteme mit einstellbaren Eigenschaften zu erzeugen. Beispiele für solche künstlichen Atome sind Quantenpunkte und atomare Cluster“, erläutert Prof. Jochim. Solche Systeme lassen sich zwar deutlich besser manipulieren als echte Atome oder Kerne, aber die Kontrolle über sämtliche quantenmechanischen Freiheitsgrade des Systems zu erlangen, stellt eine besondere Herausforderung dar, da diese Systeme sehr stark an ihre Umgebung gekoppelt sind.

Forscher der Universität Heidelberg haben diese Herausforderung nun gemeistert und ein solches künstliches Atom reproduzierbar in einem genau definierten Quantenzustand präpariert. Die Rolle der Elektronen des Atoms nehmen dabei ultrakalte, fermionische Lithiumatome ein, die in einer wenige Mikrometer großen Falle gefangen sind. „Um diese Falle zu erzeugen, haben wir einen stark fokussierten Laserstrahl benutzt, in dem die Atome ins Maximum der Intensität gezogen werden. Die Falle wird aus einem Reservoir von Lithiumatomen mit einer Temperatur von weniger als einem millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gefüllt. Aufgrund des Paulischen Ausschließungsprinzips ist jeder Quantenzustand in dem kleinen Potential mit genau einem Atom besetzt, ganz analog zu den Elektronen in einem Atom“, so Friedhelm Serwane, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Jochim und Erstautor des „Science“‐Artikels.

Die Teilchenzahl wird präpariert, indem die durch den Laserstrahl geformte Falle mit einem räumlich variierenden Magnetfeld überlagert wird. Die Lithiumatome besitzen ein magnetisches Moment und erfahren daher eine Kraft, durch die diese Falle gekippt wird. Die Stärke des Kippens beeinflusst die Zahl der verbleibenden Atome. Die Einstellbarkeit des präparierten Systems geht soweit, dass die Wechselwirkung zwischen den Teilchen nach Belieben verändert werden kann. Damit kann in dem künstlichen Atom ein Effekt erzielt werden, der dem Vorgang vergleichbar ist, in einem echten Atom die Ladung der Elektronen zu variieren. Mit dem hohen Grad an Reproduzierbarkeit und Einstellbarkeit öffnen die Heidelberger Experimente die Tür zur Simulation einer Vielzahl von Quantensystemen. Damit kommen die Physiker der Idee des Physik‐Nobelpreisträgers Richard Feynman einen Schritt näher, der 1982 von einem universellen Quantensimulator träumte, der in der Lage sei, ein beliebiges Quantensystem im Labor zu simulieren.

Die Experimente der Arbeitsgruppe von Prof. Jochim haben bereits in den vergangenen Monaten zu international beachteten Ergebnissen geführt. So konnten die Wissenschaftler zum ersten Mal sogenannte Efimov‐Trimere direkt nachweisen, nach denen jahrzehntelang gesucht wurde. Auch dieses Ergebnis wurde in „Science“ publiziert. „Der schnelle Erfolg meines Teams ist zu großen Teilen dem exzellenten Heidelberger Umfeld zu verdanken, zu dem das im Rahmen der Exzellenzinitiative gegründete Heidelberger Zentrum für Quantendynamik, das Max‐Planck‐Institut für Kernphysik und das ExtreMe Matter Institute EMMI des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt essentiell beitragen“, so Prof. Jochim.

Informationen im Internet sind unter der Adresse www.lithium6.de abrufbar.

Hinweis an die Redaktionen:
Digitales Bildmaterial kann in der Pressestelle abgerufen werden.
Originalveröffentlichung: F. Serwane, G. Zürn, T. Lompe, T. B. Ottenstein, A. N. Wenz, S. Jochim: Deterministic preparation of a tunable few‐fermion system. Science, Vol. 332, 15. April 2011, 6027, doi: 10.1126/science.1201351
Kontakt:
Prof. Dr. Selim Jochim
Physikalisches Institut Telefon (06221) 516‐229
jochim@uni‐heidelberg.de
Kommunikation und Marketing
Pressestelle, Telefon (06221) 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Marietta Fuhrmann-Koch | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-heidelberg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation
13.12.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Einmal durchleuchtet – dreifacher Informationsgewinn
11.12.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

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: Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erreichen mit neuer Speichertechnik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, welche die weltweite...

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Im Focus: Electromagnetic water cloak eliminates drag and wake

Detailed calculations show water cloaks are feasible with today's technology

Researchers have developed a water cloaking concept based on electromagnetic forces that could eliminate an object's wake, greatly reducing its drag while...

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Materialinnovationen 2018 – Werkstoff- und Materialforschungskonferenz des BMBF

13.12.2017 | Veranstaltungen

Innovativer Wasserbau im 21. Jahrhundert

13.12.2017 | Veranstaltungen

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rest-Spannung trotz Megabeben

13.12.2017 | Geowissenschaften

Computermodell weist den Weg zu effektiven Kombinationstherapien bei Darmkrebs

13.12.2017 | Medizin Gesundheit

Winzige Weltenbummler: In Arktis und Antarktis leben die gleichen Bakterien

13.12.2017 | Geowissenschaften