Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein kleiner Schubs schafft Ordnung

29.07.2010
Physiker der Universität Innsbruck konnten zum ersten Mal ein Quantenphänomen experimentell beobachten, bei dem durch eine beliebig schwache Störung aus einem ungeordneten Haufen von Atomen eine wohl geordnete Struktur entsteht. Wie die Forscher um Hanns-Christoph Nägerl in der Fachzeitschrift Nature berichten, haben sie diesen Quantenphasenübergang in eindimensionalen Quantendrähten realisiert.

Ausgehend von einem Bose-Einstein-Kondensat aus Cäsiumatomen bilden die Wissenschaftler am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck in einem optischen Gitter aus Laserlicht eindimensionale Strukturen. In diesen sogenannten Quantendrähten sind die einzelnen Atome nebeneinander aufgereiht und werden vom Laserlicht daran gehindert, aus der Reihe zu tanzen. Über ein externes Magnetfeld können die Physiker die Wechselwirkung zwischen den Atomen sehr präzise einstellen. Damit entsteht ein Labor für die Untersuchung sehr grundlegender physikalischer Fragen.


Ultrakalte Atome (gelb) in optischen Gittern (weißer Untergrund) ermöglichen die Beobachtung von quantenmechanischen Phasenübergängen. Ursprünglich war die Existenz dieser Übergänge für bestimmte Metalle vorhergesagt und erklärt den Wechsel von einem Leiter zu einem Isolator. Bei schwacher Wechselwirkung zwischen den Teilchen befinden sich die Teilchen über das Gitter verteilt in einem Superfluiden Zustand (vorn), und es ist ein tiefes Gitterpotential nötig, um sie auf einzelne Gitterplätze zu pressen (hinten). Uni Innsbruck


Stoßen sich die Teilchen jedoch stark ab, so sind sie schon ohne Gitter passend angeordnet (vorn). Ein beliebig schwaches Gitter reicht dann aus, um die Teilchen an ihrem Ort festzuheften (hinten). Uni Innsbruck

„Denn Wechselwirkungseffekte äußern sich in niedrigdimensionalen Systemen wesentlich dramatischer als im dreidimensionalen Raum“, erklärt Hanns-Christoph Nägerl. Solche Strukturen sind deshalb für die Physik von besonderem Interesse. In Festkörpern lassen sich Quantendrähte nur sehr schwer untersuchen, während ultrakalte Quantengase gut gegen Einflüsse der Umgebung abgeschirmt werden können. Dies eröffnet den Weg zu ganz neuen, grundlegenden Erkenntnissen über die Physik der Materie.

Quantenphasenübergang
Den Innsbrucker Physikern ist nun die Beobachtung des sogenannten „Pinning-Übergangs“ von einem supraflüssigen Zustand („Luttinger-Flüssigkeit“) in einen Zustand, in dem die Atome an einem Ort lokalisiert sind („Mott-Isolator“), gelungen. In ihrem Experiment konnten sie zeigen, dass bei hinreichend starker Wechselwirkung der Atome das Anlegen eines zusätzlichen, beliebig schwachen optischen Gitters längs des Quantendrahtes ausreicht, um die zuvor ungeordneten Atome an ihrem Ort festzuheften („pinning“). Die Atome sind dabei nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt und befinden sich quantenphysikalisch in ihrem Grundzustand. „Es ist keine thermische Änderung, die diesen Phasenübergang bewirkt“, betont Doktorand Elmar Haller, der Erstautor der Studie, die nun in der Fachzeitschrift Nature erschienen ist. „Vielmehr sind die Atome bereits durch die starke, abstoßende Wechselwirkung vorbereitet und brauchen nur noch einen kleinen Schubs, um sich in dem optischen Gitter regelmäßig anzuordnen“, erklärt Haller. Wird das optische Gitter wieder entfernt, springen die Atome erneut in den supraflüssigen Zustand.
Theoretisch vorhergesagt
Das von den Experimentalphysikern erstmals beobachtete Phänomen wurde vor einigen Jahren von drei Theoretikern vorhergesagt, von denen zwei – Wilhelm Zwerger und Hans Peter Büchler – in der Vergangenheit auch an der Universität Innsbruck tätig waren. Die international beachtete Quantenhochburg Innsbruck bietet den Experimentalphysikern aus der Forschungsgruppe um Wittgenstein-Preisträger Rudolf Grimm mit der engen Kooperation von Theoretikern und Experimentalphysikern und der großen Dichte an hochqualifizierten Wissenschaftlern beste Rahmenbedingungen für ihre Forschung zu den Grundlagen der Physik. Gefördert wurde diese Arbeit auch vom österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF), der European Science Foundation (ESF) und im Rahmen europäischer Forschungsprogramme.

Publikation: Pinning quantum phase transition for a Luttinger liquid of strongly interacting bosons. Elmar Haller, Russell Hart, Manfred J. Mark, Johann G. Danzl, Lukas Reichsöllner, Mattias Gustavsson, Marcello Dalmonte, Guido Pupillo, Hanns-Christoph Nägerl. Nature 29. Juli 2010. doi: 10.1038/nature09259 (http://dx.doi.org/10.1038/nature09259)

Rückfragehinweis:
Elmar Haller
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507-6306 oder 6376
E-Mail: Elmar.Haller@uibk.ac.at

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck
Weitere Informationen:
http://www.ultracold.at
http://www.uibk.ac.at
http://dx.doi.org/10.1038/nature09259

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Lasing am Limit
15.02.2018 | Technische Universität Berlin

nachricht Forschung für die LED-Tapete der Zukunft
15.02.2018 | Universität Bremen

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: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Im Focus: In best circles: First integrated circuit from self-assembled polymer

For the first time, a team of researchers at the Max-Planck Institute (MPI) for Polymer Research in Mainz, Germany, has succeeded in making an integrated circuit (IC) from just a monolayer of a semiconducting polymer via a bottom-up, self-assembly approach.

In the self-assembly process, the semiconducting polymer arranges itself into an ordered monolayer in a transistor. The transistors are binary switches used...

Im Focus: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Im Focus: Quantenbits per Licht übertragen

Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits...

Im Focus: Demonstration of a single molecule piezoelectric effect

Breakthrough provides a new concept of the design of molecular motors, sensors and electricity generators at nanoscale

Researchers from the Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS (IOCB Prague), Institute of Physics of the CAS (IP CAS) and Palacký University...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Optiktage: Expertenwissen in zwei Konferenzen für die Glas- und Kunststoffoptikfertigung

19.02.2018 | Veranstaltungen

Konferenz "Die Mobilität von morgen gestalten"

19.02.2018 | Veranstaltungen

Von Bitcoins bis zur Genomchirurgie

19.02.2018 | Veranstaltungen

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

Die Zukunft wird gedruckt

19.02.2018 | Architektur Bauwesen

Fraunhofer HHI präsentiert neueste VR- und 5G-Technologien auf dem Mobile World Congress

19.02.2018 | Messenachrichten

Stabile Gashydrate lösen Hangrutschung aus

19.02.2018 | Geowissenschaften

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