Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quanten-Jonglieren mit freien Elektronen

19.08.2016

Göttinger Wissenschaftler manipulieren Quantenzustand freier Elektronen mit Lichtfeldern

In der klassischen Physik kann ein Elektron nur eine einzige, bestimmte Geschwindigkeit annehmen. Quantenmechanisch ist es jedoch möglich, dass es sich in einer Überlagerung verschiedener Geschwindigkeiten befindet.


Gemessene Verteilungen der Elektronengeschwindigkeiten im Experiment.

Foto: Universität Göttingen


In der makroskopischen Welt nicht ohne weiteres möglich: Wiederherstellen eines Ausgangszustands nach einer starken Störung.

Foto: Universität Göttingen

Im vergangenen Jahr hatten Wissenschaftler der Universität Göttingen gezeigt, dass ein solcher Überlagerungszustand freier Elektronen in einem ultraschnellen Elektronenmikroskop erzeugt werden kann, indem die Elektronen mit intensiven Lichtfeldern bestrahlt werden. Nun ist es ihnen erstmals gelungen, einen Strahl freier Elektronen durch eine präzise Folge von Lichtpulsen quantenmechanisch „kohärent“ zu kontrollieren. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Physics erschienen.

Wenn wir einen Film sehen, der gerade rückwärts abgespielt wird, erkennen wir dies üblicherweise auf den ersten Blick. Unsere Alltagserfahrung lehrt uns, dass die meisten Vorgänge – beispielsweise das Zerspringen eines Blumentopfes – nicht ohne weiteres umkehrbar sind.

Dieser „gerichtete Zeitpfeil“ entsteht durch die ungeordnete Wechselwirkung der großen Zahl daran beteiligter Atome und Moleküle. Ist man jedoch in der Lage, ein einzelnes Atom oder Elektron isoliert zu betrachten, lassen sich mikroskopische, quantenmechanische Prozesse häufig sehr gezielt steuern oder auch vollständig umkehren, was auch als „kohärente Kontrolle“ bezeichnet wird.

Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Claus Ropers und Dr. Sascha Schäfer am IV. Physikalischen Institut der Universität Göttingen hat nun experimentell gezeigt, dass diese Konzepte auf einen Strahl freier Elektronen übertragen werden können.

Im Experiment lenkten die Forscher einen kurzen Elektronenpuls durch eine nanoskopisch kleine Metallstruktur, in der die Elektronen mit mehrfachen, präzise gesteuerten Lichtfeldern wechselwirken können. Ausgehend von einer einzigen Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen erzeugen diese Lichtfelder in der Nanostruktur quantenmechanische Überlagerungen verschiedener Geschwindigkeiten. Die genaue Intensität und die zeitliche Verzögerung dieser Lichtpulse beeinflusst dabei das Endergebnis.

So kann beispielsweise in einem ersten Laserbeschuss eine breite Verteilung an Geschwindigkeiten erzeugt werden. Mit einem zweiten Puls kann diese dann entweder noch stärker verbreitert oder wieder in den Ausgangszustand zurückversetzt werden – vereinfacht ausgedrückt wie das Zusammensetzen des zersprungenen Blumentopfes.

Eine analoge Form der mehrfach gepulsten Wechselwirkung mit Quantensystemen wird in verschiedenen Spektroskopie- und Abbildungsmethoden verwendet, beispielsweise in der Magnetresonanztomografie (MRT).

Auf dem gleichen Prinzip beruhen Atomuhren für hochpräzise Zeitmessungen und damit sogar die Definition der Sekunde. Auch die Göttinger Forscher verbinden ihre Technologie mit der Hoffnung auf neue Anwendungen. „Wir möchten die extrem hohe zeitliche Empfindlichkeit des Phänomens nutzen“, so Katharina Echternkamp, Doktorandin am IV. Physikalischen Institut und Erstautorin der Studie. „In Zukunft werden wir Elektronenpulse mithilfe von Licht maßgeschneidert strukturieren können, was völlig neue Formen der zeitaufgelösten Elektronenmikroskopie ermöglicht.“

Originalveröffentlichung: Katharina E. Echternkamp et al. Ramsey-type phase control of free-electron beams. Nature Physics 2016. Doi: 10.1038/nphys3844.

Kontaktadressen:
Prof. Dr. Claus Ropers
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Physik – IV. Physikalisches Institut
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
Telefon (0551) 39-4549
E-Mail: cropers@gwdg.de

Dr. Sascha Schäfer
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Physik – IV. Physikalisches Institut
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
Telefon (0551) 39-4576
E-Mail: schaefer@ph4.physik.uni-goettingen.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-goettingen.de/de/91116.html

Thomas Richter | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Rätselhaftes IceCube-Ereignis könnte von Tau-Neutrino stammen
19.06.2018 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Ein neues Experiment zum Verständnis der Dunklen Materie
14.06.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Überdosis Calcium

Nanokristalle beeinflussen die Differenzierung von Stammzellen während der Knochenbildung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Freiburg und Basel haben einen Hauptschalter für die Regeneration von Knochengewebe identifiziert....

Im Focus: Overdosing on Calcium

Nano crystals impact stem cell fate during bone formation

Scientists from the University of Freiburg and the University of Basel identified a master regulator for bone regeneration. Prasad Shastri, Professor of...

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Hengstberger-Symposium zur Sternentstehung

19.06.2018 | Veranstaltungen

LymphomKompetenz KOMPAKT: Neues vom EHA2018

19.06.2018 | Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

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

Rätselhaftes IceCube-Ereignis könnte von Tau-Neutrino stammen

19.06.2018 | Physik Astronomie

Automatisierung und Produktionstechnik – Wandlungsfähig – Präzise – Digital

19.06.2018 | Messenachrichten

Überdosis Calcium

19.06.2018 | Medizin Gesundheit

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