Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker beobachten erstmals einzelne Zusammenstöße von Atomen bei Diffusion

03.07.2017

Unter Diffusion versteht die Forschung einen Vorgang, bei dem sich kleinste Teilchen in einem Gas oder einer Flüssigkeit gleichmäßig ausbreiten. Obwohl diese Medien aus einzelnen Teilchen bestehen, wird die Diffusion als ein kontinuierlicher Prozess wahrgenommen. Effekte eines einzelnen Stoßes zwischen Teilchen, dem grundlegenden Baustein der Diffusion, wurden bislang nicht beobachtet. Erstmals konnten Physiker aus Kaiserslautern und Erlangen nun die fundamentalen Schritte bei der Diffusion einzelner Atome in einem Gas beobachten und theoretisch beschreiben. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Schon vor fast 200 Jahren beobachtete der schottische Arzt und Forscher Robert Brown die Zitterbewegung von Pollen in einer Flüssigkeit. Ähnlich wie der Blütenstaub verteilen sich auch kleinste Teilchen, etwa Moleküle oder Atome, in Gasen und Flüssigkeiten.


Das Bild zeigt eine Vakuumzelle, mit der die Physiker ihre Versuche durchführen.

Foto: AG Widera


Dr. Michael Hohmann, Erstautor der Studie

Foto: privat

Dabei stoßen die einzelnen Teilchen zusammen, sodass sich ein Muster aus Zickzack-Bewegungen ergibt und sich die Teilchen verschiedener Stoffe durchmischen. Diese Zitterbewegungen werden in der Wissenschaft als „Brownsche Bewegung“ bezeichnet, das Ausbreiten und Durchmischen verschiedener Stoffe als Diffusion.

„Diffusion ist in vielen Bereichen von großer Bedeutung und liegt vielen Transportvorgängen zugrunde, zum Beispiel in lebenden Zellen oder auch in Energiespeichern“, sagt Professor Dr. Artur Widera, der an der Technischen Universität (TU) Kaiserslautern zu Quantenphysik einzelner Atome und ultrakalten Quantengasen forscht. „Ein Verständnis von Diffusionsvorgängen ist daher in fast allen Bereichen von Lebenswissenschaften über Naturwissenschaft bis zu Technologieentwicklung wichtig.“

Ein einfaches Verständnis von Diffusion in der Wissenschaft gelingt, wenn man die einzelnen Zusammenstöße von Teilchen vernachlässigt. „In diesem Zusammenhang sprechen wir auch von einem kontinuierlichen Medium, in das etwa ein größeres Teilchen hineindiffundiert.

Diese Vereinfachung ist umso besser, je kleiner die Masse der Teilchen im Medium und je größer die Frequenz der Zusammenstöße ist“, sagt Dr. Michael Hohmann, Erstautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Professor Widera. Ein Beispiel aus dem Alltag ist Nebel. Er kann als ein solches Medium angesehen werden, obwohl er aus winzigen einzelnen Wassertropfen besteht.

Für ihr Experiment haben die Physiker um Widera die Bedingungen, die bei einem kontinuierlichen Medium herrschen, geändert: „Wir haben für die Diffusion statt großer Teilchen, wie etwa Pollen, einzelne Atome verwendet, die fast die gleiche Masse wie Atome des Gases haben. Außerdem haben wir ein sehr kaltes, dünnes Gas verwendet, um die Frequenz der Stöße drastisch herunterzusetzen“, erläutert Hohmann.

Erstmals haben die Kaiserslauterer Forscher hierbei beobachtet, wie Cäsium-Atome in einem Gas aus Rubidium-Atomen fast am absoluten Temperaturnullpunkt diffundieren. „Bei diesen Temperaturen funktioniert kein Kühlschrank mehr. Die Atome haben wir in einer Vakuumapparatur mit Laserstrahlen gekühlt und festgehalten. Die Diffusion wurde dadurch derartig verlangsamt, dass einzelne Schritte der Diffusion zu sehen waren“, erläutert Professor Widera den Versuchsaufbau.

Bei der theoretischen Beschreibung für das Experiment wurden die Kaiserslauterer Forscher von ihrem Kollegen Theorie Physik-Professor Dr. Eric Lutz von der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) unterstützt, indem er die mathematische Modellierung mitentwickelt hat. „Mit diesem neuen Modell können wir die Bewegung der Atome nun besser beschreiben“, sagt der Erlanger Forscher.

Zusammen konnten sie nachweisen, dass es reicht, den Reibungsfaktor bei der theoretischen Berechnung des kontinuierlichen Modells zu verändern. Auf diese Weise lassen sich auch Fälle beschreiben, bei denen es sich wie im oben erwähnten Versuch nicht um ein kontinuierliches Medium handelt. Dies ist zum Beispiel in den dünnen Luftschichten der oberen Atmosphäre, im interstellaren Raum oder in der Vakuumtechnologie der Fall, wenn sich hier Aerosole, ein Gemisch aus Schwebteilchen, ausbreiten.

Die Erkenntnisse der Forscher können beispielsweise von Interesse sein, um die Ausbreitung von Aerosolen in der Atmosphäre oder von Gasen in Vakuumanlagen besser zu verstehen.

Die Herausgeber der Fachzeitschrift Physical Review Letters würdigen die Studie als besonders interessante und lesenswerte Arbeit und veröffentlichen sie als Editor`s Suggestion: „Individual tracer atoms in an ultracold dilute gas.“
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.263401

Ergänzend zur Publikation gibt es einen englischsprachigen Fokusartikel im Onlinejournal „Physics“: https://physics.aps.org/articles/v10/76

Fragen beantwortet:
Prof. Dr. Artur Widera
Tel.: 0631 205-4130
E-Mail: widera(at)physik.uni-kl.de

Melanie Löw | Technische Universität Kaiserslautern

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Maschinelles Lernen im Quantenlabor
19.01.2018 | Universität Innsbruck

nachricht Seltsames Verhalten eines Sterns offenbart Schwarzes Loch, das sich in riesigem Sternhaufen verbirgt
17.01.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

18.01.2018 | Veranstaltungen

6. Technologie- und Anwendungsdialog am 18. Januar 2018 an der TH Wildau: „Intelligente Logistik“

18.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal vereinbart mit dem Betriebsrat von RWG Sozialplan - Zukunftsorientierter Dialog führt zur Einigkeit

19.01.2018 | Unternehmensmeldung

Open Science auf offener See

19.01.2018 | Geowissenschaften

Original bleibt Original - Neues Produktschutzverfahren für KFZ-Kennzeichenschilder

19.01.2018 | Informationstechnologie