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 Moleküle brillant beleuchtet
23.04.2018 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Wie zerfallen kleinste Bleiteilchen?
23.04.2018 | Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald

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: Metalle verbinden ohne Schweißen

Kieler Prototyp für neue Verbindungstechnik wird auf Hannover Messe präsentiert

Schweißen ist noch immer die Standardtechnik, um Metalle miteinander zu verbinden. Doch das aufwändige Verfahren unter hohen Temperaturen ist nicht überall...

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...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

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

19.04.2018 | Veranstaltungen

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

Metalle verbinden ohne Schweißen

23.04.2018 | HANNOVER MESSE

Revolutionär: Ein Algensaft deckt täglichen Vitamin-B12-Bedarf

23.04.2018 | Medizin Gesundheit

Wie zerfallen kleinste Bleiteilchen?

23.04.2018 | Physik Astronomie

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