Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Millimetergroßes „Riesenatom“ erzeugt

18.06.2010
Darmstädter Forscher beteiligt an wegweisendem Physik-Experiment

Die seltsamen Gesetze der Quantenphysik, etwa dass sich Materie ähnlich wie eine Lichtwelle verhält, gelten im unsichtbaren Mikrokosmos der Atome und Moleküle. Dass ein Quantensystem aber auch Millimetergröße erreichen kann, bewies ein Physiker-Konsortium in einem wegweisenden Experiment am Fallturm Bremen. Ähnliche Experimente mit frei fallenden Quantensystemen könnten Einsteins Relativitätstheorie testen oder zu superpräzisen Sensoren führen. Der Theoretische Physiker Reinhold Walser von der TU Darmstadt war maßgeblich an Simulationen des Experiments beteiligt.

Es ist immer wieder beeindruckend, wenn der Applaus Tausender Konzertbesucher sich von einem chaotischen Geräuschbrei in ein rhythmisches Kollektivklatschen verwandelt. Ähnliches passiert, wenn Physiker aus einigen Millionen Atomen ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat herstellen. Um einen solchen Phasenübergang hervorzurufen, kühlen Forscher eine Atomwolke fast bis auf den absoluten Temperaturnullpunkt (273 °C) ab. Laut Quantenphysik stellt jedes Atom eine Materiewelle dar. Bei sinkender Temperatur dehnen sich diese Materiewellen immer weiter aus, bis sie sich schließlich gegenseitig überlagern. Ähnlich wie Ozeanwellen, die sich gegenseitig zu einer Riesenwelle verstärken, wird dann aus den Millionen einzelner Materiewellen eine einzige große Materiewelle, das Bose-Einstein-Kondensat, kurz BEC. Da das BEC den Gesetzen der Quantenphysik folgt, wird es oft „Riesenatom“ genannt.

Albert Einstein und der indische Physiker Satyendranath Bose sagten die Existenz von BECs schon 1924 voraus, im Labor hergestellt werden sie seit 1995. Ein wichtiger weiterer Schritt, nämlich die Herstellung eines BEC in der Schwerelosigkeit, an die Physiker große Hoffnungen knüpfen, ist nun einem Physiker-Team um Ernst Rasel von der Universität Hannover gelungen. Die Physiker, deren Projekt den Namen „Quantus“ trägt, berichten darüber im Forschungsmagazin Science (Vol. 328, S. 1540-1543). Mit Unterstützung der Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) bauten sie die gesamte Apparatur für die Erzeugung und den Nachweis des BEC, die normalerweise ein ganzes Labor füllt, in eine mannsgroße Metallkapsel ein und ließen diese 120 Meter tief vom Fallturm Bremen fallen. Während des fast fünf Sekunden langen freien Falls herrschte in der Kapsel Schwerelosigkeit. Die ersten Sekunden werden für die BEC-Herstellung benötigt. Danach wurde das Kondensat aus dem Magnetfeld, das es festhielt, entlassen und dehnte sich während der verbleibenden Sekunde bis zum gedämpften Aufprall in der Schwerelosigkeit auf einen Millimeter Größe aus, wie die Forscher mithilfe einer CCD-Kamera in der Kapsel nachwiesen. Im Labor kann ein freigelassenes BEC nicht zu einer solchen Größe anwachsen, da es in der Regel nur eine wenige Millimeter lange Fallstrecke hat.

„Unser Bose-Einstein-Kondensat ist das größte bislang erzeugte“, sagt der Theoretische Physiker Prof. Dr. Reinhold Walser vom Institut für Angewandte Physik der TU Darmstadt. Er erstellte ein Computermodell des frei fallenden BECs, das dessen Wachsen in der Schwerelosigkeit simulierte. Der Erfolg des Teams beweise, dass es möglich ist, BECs zuverlässig auch im Weltraum herzustellen, schreiben Paulo Nussenzveig und João C. A. Barata von der Universität Sao Paulo in einem Kommentar in Science. Im All könnten die Riesenatome sehr nützlich sein. „Aus BECs lassen sich Sensoren für die Lage oder Drehungen von Satelliten bauen, die deutlich präziser sind als heutige Sensoren“, sagt Walser. Denn Materiewellen zweier BECs überlagern sich, ähnlich Laserstrahlen, zu einem Interferenzmuster, das sehr empfindlich auf Lageänderungen oder Drehungen reagiert.

Je größer ein BEC, desto präzisere Sensoren lassen sich bauen. Ihre Genauigkeit könnte beispielsweise für Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins nötig sein. Schwerelose BECs im Weltraum könnten außerdem dazu beitragen, eine grundlegende Frage der Physik zu beantworten. Bislang gibt es nämlich für das ganz Große, Planeten und Sterne, sowie das ganz Kleine, Moleküle, Atome und Elementarteilchen, zwei voneinander getrennte Theorien, nämlich die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik. Ein frei fallendes makroskopisches Quantensystem ist etwas, was die beiden Welten verbindet und daher zu einer einheitlichen Theorie beitragen könnte.

„Unser Ziel ist es, BECs im Weltraum zu erzeugen, am liebsten auf der ISS“, sagt Walser. Bis dahin gibt es noch Zwischenetappen. Zunächst soll das BEC in einem zehn Sekunden währenden Katapultexperiment im Fallturm Bremen untersucht werden. Danach soll das Experiment in eine Rakete eingebaut werden, in der bei einem Parabelflug mehrere Minuten lange Schwerelosigkeit herrschen soll. „So wollen wir die Frage klären, wie groß ein BEC werden kann, den Entstehungsprozess klären und die Anwendung als ultrapräzise Beschleunigungs- und Rotationssensor vorantreiben“, erläutert Walser.

Das Projekt QUANTUS ist ein Zusammenschluss deutscher und europäischer Forschungseinrichtungen, darunter die Leibniz Universität Hannover, die Universität Ulm, die Humboldt-Universität zu Berlin, die Universität Hamburg, das Max-Planck-Institut für Quantenoptik, die Technische Universität Darmstadt, die Ecole Normale Superieure de Paris, das Midlands Ultracold Atom Research Center in Birmingham, das DLR Zentrum für Raumfahrtsysteme und das Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) in Bremen. Finanziert wurde es durch die Deutsche Agentur für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Ministeriums für Wirtschaft und Technologie und durch den Exzellenzcluster QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research) an der Leibniz Universität Hannover.

Kontakt für Journalisten:
Prof. Dr. Reinhold Walser
Theoretische Quantendynamik
Institut für Angewandte Physik
Tel.:06151 16-5200
E-Mail: reinhold.walser@physik.tu-darmstadt.de
MI-Nr. 34/2010, mei

Jörg Feuck | idw
Weitere Informationen:
http://www.tu-darmstadt.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik
21.09.2017 | Forschungszentrum MATHEON ECMath

nachricht Der stotternde Motor im Weltall
21.09.2017 | Universität Wien

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: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

23. Baltic Sea Forum am 11. und 12. Oktober nimmt Wirtschaftspartner Finnland in den Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

6. Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Zeichen von Smart Home

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

OLED auf hauchdünnem Edelstahl

21.09.2017 | Messenachrichten

Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik

21.09.2017 | Physik Astronomie

In Zeiten des Klimawandels: Was die Farbe eines Sees über seinen Zustand verrät

21.09.2017 | Geowissenschaften