Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Jupiters „Trojaner“ im Atom-Format

25.01.2012
Berechnungen der TU Wien erfolgreich im Experiment umgesetzt: Ähnlich wie der Planet Jupiter Asteroiden auf stabilen Bahnen hält, lassen sich Elektronen in Kalium-Atomen durch elektromagnetische Felder stabilisieren.

Milliarden Jahre können Planeten und Asteroiden regelmäßig rund um die Sonne kreisen. Auch Elektronen, die sich rund um einen Atomkern bewegen, stellt man sich gerne wie Planeten im Mini-Format vor.


Das Bohrsche Atommodell geht von Atomen aus, die ähnlich wie ein Planet um den Atomkern kreisen. Durch technische Tricks wird das Elektron (grün) über lange Zeit zusammengehalten, ohne sich über die ganze Kreisbahn zu verteilen. TU Wien

In Wirklichkeit verhalten sich Atome aufgrund quantenphysikalischer Effekte aber doch ganz anders als Planetensysteme. Nun ist es einem US-amerikanisch-österreichischen Forschungsteam gelungen, Elektronen in Atomen lange Zeit stabil auf planetenartigen Bahnen kreisen zu lassen.

Den entscheidenden Trick dafür hat man sich vom Jupiter abgeschaut: Er stabilisiert die Bahnen von Asteroiden – den sogenannten „Trojanern“ - und auf ganz ähnliche Weise konnten nun Elektronen-Bahnen rund um den Atomkern durch ein elektromagnetisches Feld stabilisiert werden. Die Forschungsergebnisse wurden nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert.

Riesen-Atome

Es sind die wohl größten Atome der Erde: „Einen Hundertstel Millimeter beträgt der Durchmesser der Elektronenbahnen – für atomare Verhältnisse eine gewaltige Distanz“, erklärt Shuhei Yoshida. Die Atome sind damit größer als rote Blutkörperchen. Yoshida führte am Institut für Theoretische Physik der TU Wien die Berechnungen durch, an der Rice University in Houston (Texas) wurden die Ideen experimentell umgesetzt.

Ein Elektron ist kein Planet

Die Vorstellung, dass Atome und Planetensysteme einiges gemeinsam haben, ist nicht neu: Schon das erste Atommodell von Niels Bohr ging von Elektronen aus, die sich auf festen Bahnen rund um einen Atomkern bewegen. Dieses Bild gilt aber längst als veraltet. Quantenmechanisch wird das Elektron Quanten-Welle oder als „Wahrscheinlichkeitswolke“ beschrieben, die den Atomkern umgibt. Ein Elektron im niedrigsten Energiezustand befindet sich gleichzeitig in allen möglichen Richtungen rund um den Kern – von einem genauen Aufenthaltsort oder einer echten Umlaufbahn kann hier keine Rede sein. Erst wenn man das Elektron auf ein höheres Energie-Niveau anhebt, lässt es sich so präparieren, dass es planetenartigen Bahnen folgt.

Jupiters Trick - auf Atome angewandt

Im Gegensatz zu Planeten bewegen sich die Elektronen aber nicht dauerhaft so weiter: „Ohne zusätzliche Stabilisierung würde sich die Elektronen-Welle schon nach wenigen Umläufen wieder gleichmäßig entlang der Bahn verteilen und hätte keine feste Position mehr“, sagt Prof. Burgdörfer, Vorstand des Instituts für Theoretische Physik. Eine mögliche Stabilisierung solcher Bahnen kennt man aus der Astronomie schon lange: Jupiter, der schwerste Planet unseres Sonnensystems, stabilisiert durch seine Anziehungskraft die Bahnen der „Trojaner“ – das sind tausende kleine Asteroiden, die sich mit Jupiter eine Bahn um die Sonne teilen. Auf den so genannten „Lagrange-Punkten“ werden sie festgehalten, und entlang dieser Bahn bewegen sie sich mit Jupiter mit – genau mit der selben Umlaufgeschwindigkeit wie Jupiter selbst, sodass sie nie mit dem Planeten kollidieren.
Im Atom-Experiment wird diese stabilisierende Wirkung des Jupiters durch ein raffiniert gewähltes elektromagnetisches Feld ersetzt: Das Feld oszilliert genau in der Frequenz, die der Umlaufdauer des Elektrons um den Kern entspricht – es gibt dem Elektron also den richtigen Takt vor und hält die Quanten-Welle des Elektrons viele Umdrehungen lang in einem engen Bereich lokalisiert. Am Atom lassen sich sogar Manipulationen durchführen, die im Planetensystem nicht möglich wären: Das Elektron kann gezielt in eine andere Umlaufbahn überführt werden – so als würde man den Jupiter samt der Asteroiden auf die Saturn-Bahn schieben.

Das Kleine und das Große

Damit ist es gelungen, astronomische Gegebenheiten in einer quantenphysikalischen Miniatur-Version nachzubauen und Atome zu erzeugen, die dem historischen Bohrschen Atommodell erstaunlich nahe kommen. In Zukunft will das internationale Forschungsteam Atome präparieren, in denen sich gleich mehrere Elektronen auf planetenartigen Bahnen bewegen. Mit solchen Atomen soll es möglich sein, genauer zu erforschen, wie die Quanten-Welt der winzig kleinen Objekte mit der klassischen Welt unserer Alltagserfahrung zusammenhängt.
Rückfragehinweise:

Ao.Prof. Shuhei Yoshida
Institut für Theoretische Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8, 1040 Wien
+43-1-58801-13611
shuhei.yoshida@tuwien.ac.at

Prof. Joachim Burgdörfer
Institut für Theoretische Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8, 1040 Wien
+43-1-58801-13610
burg@concord.itp.tuwien.ac.at

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.tuwien.ac.at
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.108.043001

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala
20.04.2018 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Licht macht Ionen Beine
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

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: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics