Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mechanismus des Vielteilchentunnelprozesses erstmals exakt beschrieben

05.10.2012
Heidelberger Forscher decken grundlegende Unterschiede zum Einteilchentunnelprozess auf

Mit Forschungen zum Tunneleffekt, einem zentralen Effekt in der Quantenmechanik, ist es Wissenschaftlern der Universität Heidelberg gelungen, erstmals den Mechanismus des Vielteilchentunnelprozesses in den offenen Raum exakt zu beschrieben.

Zugleich konnte das Forscherteam unter der Leitung von Prof. Dr. Lorenz Cederbaum zeigen, worin die grundlegenden Unterschiede zum bereits gut erforschten Tunnelprozess einzelner Teilchen bestehen. Die Ergebnisse dieser in Zusammenarbeit mit israelischen Forschern durchgeführten Untersuchungen wurden in den „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) veröffentlicht.

Aufgrund des Tunneleffektes können quantenmechanisch beschriebene Teilchen sogenannte Potentialbarrieren überwinden, ohne die dafür notwendige Energie zu besitzen – sie „tunneln“ also durch die Barriere. Im Gegensatz dazu ist für Teilchen der klassischen Mechanik nur ein „Klettern über die Barriere” möglich. Der Tunneleffekt tritt bei vielen verschiedenen Prozessen in der Natur auf.

Dazu gehören zum Beispiel Kernfusion, Kernspaltung und Alphazerfall in der Kernphysik sowie Ionisationsprozesse, Photoassoziation und Photodissoziation in der Biologie und Chemie. Diese Prozesse finden jedoch fast ausschließlich in Systemen statt, die aus vielen, miteinander wechselwirkenden Teilchen zusammengesetzt und offen sind.

Wie der Mechanismus von Tunnelprozessen in den offenen Raum bei Vielteilchensystemen aussieht, haben Axel Lode, Privatdozent Dr. Alexej Streltsov, Dr. Kaspar Sakmann und Prof. Dr. Lorenz Cederbaum vom Physikalich-Chemischen Institut der Ruperto Carola Universität Heidelberg untersucht. Kooperationspartner der Heidelberger Forscher war Prof. Dr. Ofir Alon von der Universität Haifa.

Der Tunnelprozess von einzelnen Teilchen ist in der Quantenmechanik seit Jahrzehnten gut verstanden – der Tunnelprozess vieler, miteinander wechselwirkender Teilchen jedoch kaum erforscht. Von Bedeutung ist hier vor allem die Frage, inwiefern durch die Wechselwirkung zwischen den Teilchen kooperative Phänomene verursacht werden, die bei einzelnen Teilchen nicht auftreten können. So haben die Wissenschaftler untersucht, wie der Tunnelprozess vieler wechselwirkender, ultrakalter Bosonen, die anfangs ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat bilden, durch eine Potentialbarriere hindurch in den freien Raum abläuft. Ultrakalte Bosonen bieten sich zum Studium von Vielteilchenprozessen an, weil sowohl ihr externes Potential mittels Lasern als auch die Wechselwirkung mittels eines Magnetfeldes experimentell kontrolliert werden kann.

Eine der Kernfragen der Arbeit war es, herauszufinden, ob der gesamte Vielteilchentunnelprozess als das Tunneln eines einzigen, effektiven Teilchens beschreibbar ist oder ob dieser Prozess grundlegend anders abläuft. Die Wissenschaftler fanden mit Hilfe exakter numerischer Simulationen heraus, dass sogar schon bei schwacher Wechselwirkung im Vielteilchenprozess kollektive Phänomene auftreten. Dabei handelt es sich um eine Quanteninterferenz – ein spezielles Phänomen der Quantenmechanik – von gleichzeitig ablaufenden Einteilchentunnelprozessen, die von Quellen mit unterschiedlicher Teilchenzahl gespeist werden.
Dies zeigt sich durch eine Zunahme der Korrelation, das heißt der Wechselbeziehungen zwischen den anfänglich unkorrelierten Teilchen. Zugleich wiesen die Wissenschaftler damit nach, dass der Vielteilchenprozess nicht als Tunnelvorgang eines einzelnen effektiven Teilchens beschrieben werden kann. Die Beschreibung als effektiver Einteilchenprozess vernachlässigt die auftretenden kollektiven Phänomene und den Aufbau von Korrelationen.

Weitere Informationen und Videos sind im Internet unter http://MCTDHB.org und http://tc.uni-hd.de/axel zu finden.

Originalpublikation:
A. U. J. Lode, A. I. Streltsov, K. Sakmann, O. E. Alon, and L. S. Cederbaum: How an interacting many-body system tunnels through a potential barrier to open space. PNAS 2012, 109 (34), 13521-13525, doi: 10.1073/pnas.1201345109

Kontakt:
Prof. Dr. Lorenz Cederbaum
Physikalisch-Chemisches Institut
Telefon (06221) 54-5211
Lorenz.Cederbaum@pci.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 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft
24.05.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten