Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quanten-Zwillinge aus dem Atomchip

02.05.2011
An der Technischen Universität (TU) Wien ist es gelungen, durch ausgeklügelte Atom-Chips quantenphysikalisch verknüpfte Atom-Zwillinge zu erzeugen. Bisher waren ähnliche Experimente nur mit Lichtteilchen möglich.

Objekte, die voneinander weit entfernt sind, sich aber trotzdem nicht getrennt voneinander verstehen und beschreiben lassen – sie gehören zu den erstaunlichsten Merkwürdigkeiten der Quantenphysik. Photonenpaare, wie sie in speziellen Kristallen erzeugt werden sind ein prominentes Beispiel (down conversion Kristall – optische parametrische Oszillatoren).


Ein ultrakaltes Bose-Einstein-Kondensat im Atomchip emittiert Atompaare, die quantenphysikalisch miteinander verknüpft sind. TU Wien, R. Bücker

Durch sie kann man Quantenzustände teleportieren oder Daten mittels Quantenkryptografie abhörsicher übertragen. In Zukunft werden solche Experimente nicht nur mit Lichtteilchen möglich sein: An der TU Wien wurde nun mithilfe von ultrakalten Bose-Einstein-Kondensaten eine Methode entwickelt, korrelierte Atompaare zu erzeugen. Die Ergebnisse des Experimentes wurden im Fachjournal „Nature Physics“ veröffentlicht.

Getrennt und doch vereint

Schon Einstein wollte nicht so recht daran glauben, dass voneinander getrennte Teilchen quantenphysikalisch verbunden sein können und nannte solche Phänomene „spukhafte Fernwirkung“. Doch seither wurden die überraschenden Schlussfolgerungen der Quantentheorie immer wieder bestätigt: Quantenteilchen können – auch wenn sie weit voneinander entfernt sind – noch immer zusammengehören und sich gewisse physikalische Eigenschaften „teilen“. „Das bedeutet nicht, dass man durch Manipulation am einen Teilchen auch das andere verändern könnte, als wären sie durch einen unsichtbaren Faden miteinander verbunden“, erklärt Prof. Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der TU Wien. „Aber trotzdem muss man beide Teilchen als ein Quantensystem gemeinsam betrachten – und das gibt uns Möglichkeiten für spannende Experimente.“ Jörg Schmiedmayers Forschungsgruppe führte die Arbeiten an der TU Wien durch, unterstützt von theoretischen Berechnungen von Ulrich Hohenester an der Karl-Franzens-Universität Graz.

Energie- und Impulserhaltung

Um die quantenphysikalisch korrelierten Atome zu erzeugen, stellte man zunächst ein Bose-Einstein-Kondensat her. Dieser exotische Materiezustand stellt sich bei extrem tiefen Temperaturen ein – einige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. In einem Bose-Einstein-Kondensat befinden sich alle Atome im niedrigst-möglichen Energiezustand. „Der Schlüssel zum Erfolg liegt in unseren Atom-Chips“ erklärt Thorsten Schumm (TU Wien). Mit diesen maßgeschneiderten Chip-Strukturen können Atome ganz gezielt manipuliert und gesteuert werden. So ist es möglich, den Atomen des ultrakalten Bose-Einstein-Kondensates gezielt ein Quantum Schwingungsenergie zuzuführen. Wenn die Atome dann wieder in den Zustand niedrigster Energie zurückkehren, muss das Kondensat die überschüssige Energie wieder loswerden. „Durch ein ausgeklügeltes Design unseres Atom-Chips hat das Bose-Einstein-Kondensat nur eine einzige Möglichkeit, Energie abzugeben: Die Aussendung von Atom-Paaren. Alle anderen Varianten sind quantenphysikalisch verboten“, erklärt Robert Bücker (TU Wien). Nach dem Gesetz der Impulserhaltung bewegen sich die beiden ausgesandten Atome dann in genau entgegengesetzte Richtungen auseinander. Der Prozess ist analog zu dem Effekt, der in speziellen nicht-linearen Kristallen bei der Erzeugung von Lichtteilchen-Paaren auftritt (optischer parametrischer Oszillator), aber nun funktioniert er nicht nur für Licht sondern auch für Materieteilchen.

Grundlagenforschung in Wien

Die ausgesandten Atom-Zwillinge kann man sich aber nicht einfach wie klassische Partikel vorstellen, wie sie etwa bei einer Explosion in alle Richtungen davonfliegen. Sie sind quantenphysikalische Kopien voneinander und unterscheiden sich nur durch die entgegengesetzte Bewegungsrichtung. Sie bilden quasi ein gemeinsames Quanten-Objekt – ein Atom kann nicht mathematisch beschrieben werden, ohne gleichzeitig auch das andere zu beschreiben. „Diese Atome werden wir in Zukunft für spannende Versuche nützen“, ist Jörg Schmiedmayer zuversichtlich. „Ein unglaublich aufregendes Forschungsgebiet tut sich hier auf. Welche neuen Erkenntnisse oder Anwendungsmöglichkeiten sich daraus ergeben werden, ist heute noch gar nicht absehbar. Es ist gut vorstellbar, dass durch diese korrelierten Atomstrahlen neue Quanten-Messverfahren ermöglicht werden, mit einer Präzision, die die Möglichkeiten der klassischen Physik bei weitem übersteigt.“

Originalpublikation: R. Bücker et al., Twin-atom beams, Nature Physics, Advance Online Publication 01 May 2011.

Graphikdownload: http://tuweb.tuwien.ac.at/index.php?id=11257

Rückfragehinweis:
Prof. Jörg Schmiedmayer
Atominstitut
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801-141888
hannes-joerg.schmiedmayer@tuwien.ac.at
Aussender:
Dr. Florian Aigner
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Technische Universität Wien
Operngasse 11, 1040 Wien
T: +43-1-58801-41027
florian.aigner@tuwien.ac.at
Quantum Physics & Quantum Technologies ist – neben Computational Science & Engineering, Materials & Matter, Information & Communication Technology sowie Energy & Environment – einer von fünf Forschungsschwerpunkten der Technischen Universität Wien. Erforscht werden mögliche Anwendungen von Quantenphänomenen. Diese reichen von fundamentalen Wechselwirkungen der Elementarteilchen über Strahlungsquellen für ultrakurze Photonenpulse bis hin zur Steuerung der Zustände einzelner Atome und damit zu Bauelementen für den Quantencomputer.

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.tuwien.ac.at
http://tuweb.tuwien.ac.at/index.php?id=11257

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Erforschung von Elementarteilchen in Materialien
17.01.2017 | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

nachricht Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

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: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Im Focus: Mit Bindfaden und Schere - die Chromosomenverteilung in der Meiose

Was einmal fest verbunden war sollte nicht getrennt werden? Nicht so in der Meiose, der Zellteilung in der Gameten, Spermien und Eizellen entstehen. Am Anfang der Meiose hält der ringförmige Proteinkomplex Kohäsin die Chromosomenstränge, auf denen die Bauanleitung des Körpers gespeichert ist, zusammen wie ein Bindfaden. Damit am Ende jede Eizelle und jedes Spermium nur einen Chromosomensatz erhält, müssen die Bindfäden aufgeschnitten werden. Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie zeigen in der Bäckerhefe wie ein auch im Menschen vorkommendes Kinase-Enzym das Aufschneiden der Kohäsinringe kontrolliert und mit dem Austritt aus der Meiose und der Gametenbildung koordiniert.

Warum sehen Kinder eigentlich ihren Eltern ähnlich? Die meisten Zellen unseres Körpers sind diploid, d.h. sie besitzen zwei Kopien von jedem Chromosom – eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

14. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

12.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

17.01.2017 | Physik Astronomie

Wasser - der heimliche Treiber des Kohlenstoffkreislaufs?

17.01.2017 | Geowissenschaften

Kieselalge in der Antarktis liest je nach Umweltbedingungen verschiedene Varianten seiner Gene ab

17.01.2017 | Biowissenschaften Chemie