Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenphysik – heiß und kalt zugleich

17.04.2015

Wissenschaftler aus Heidelberg und Wien untersuchen statistische Beschreibung von Quantensystemen

Eine Wolke aus Quantenteilchen kann mehrere Temperaturen gleichzeitig aufweisen. Das zeigen Experimente, die im Rahmen eines gemeinsamen Projekts von Wissenschaftlern der Universität Heidelberg und der Technischen Universität Wien (Österreich) durchgeführt wurden.


Ein klassisches Gas ist entweder kalt (blau) oder heiß (rot). Manche Quantensysteme können jedoch mehrere Temperaturen gleichzeitig aufweisen. Ein Vergleich der Korrelationsdiagramme zeigt, dass nur für eine spezielle Wahl stark unterschiedlicher Temperaturen die Vorhersagen mit den Messungen übereinstimmen.

Abbildung: Sebastian Erne, Universität Heidelberg, Institut für Theoretische Physik

Die Ergebnisse der Studie machen es möglich, dass sich die Gesetze der Quantenwelt besser mit einer statistischen Beschreibung zusammenführen lassen. „Dies ist für das Verständnis einer Vielzahl von Quantensystemen bedeutsam und eröffnet einen neuen Blick darauf, wie aus der Welt der Quanten unsere alltägliche Welt mit ihren ,klassischen‘ statistischen Eigenschaften wie der Temperatur hervorgeht“, sagt Prof. Dr. Thomas Gasenzer, der als Physiker an der Ruperto Carola lehrt und forscht. Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten wurden jetzt in „Science“ veröffentlicht.

Die Luft um uns herum besteht aus unzähligen Molekülen, die ununterbrochen wild durcheinander fliegen. Jeder Versuch, alle diese Teilchen zu verfolgen und ihre Flugbahnen zu beschreiben, ist von vorneherein zum Scheitern verurteilt. Doch für viele Anwendungen ist dies auch gar nicht erforderlich, da sich Eigenschaften finden lassen, die das gemeinsame Verhalten aller Moleküle statistisch beschreiben – etwa die Temperatur, die sich aus den Geschwindigkeiten der Moleküle ergibt.

Nach den Worten von Prof. Gasenzer ist die Temperatur eine außerordentlich nützliche Größe, da sie eine einfache statistische Aussage über die Energie eines hochkomplizierten Teilchengewirrs ermöglicht. Die Wissenschaftler in Heidelberg und Wien haben nun untersucht, auf welche Weise Quantenteilchen einen statistisch beschreibbaren Zustand erreichen. Prof. Gasenzer arbeitete dazu mit dem Team von Prof. Dr. Jörg Schmiedmayer am Atominstitut der Technischen Universität Wien zusammen.

Wie Prof. Gasenzer betont, ist die statistische Betrachtungsweise außerordentlich erfolgreich. Sie beschreibt viele physikalische Vorgänge – vom kochenden Wasser im Topf bis zu Phasenübergängen in Flüssigkristallen, die in Flachbildschirmen Anwendung finden.

Trotz intensiver Forschungsanstrengungen gibt diese Betrachtungsweise aber immer noch Rätsel auf, vor allem wenn es um Quantensysteme geht. Wie aus vielen quantenmechanischen Einzelteilen die bekannten Gesetze der statistischen Physik – und damit letztlich auch unsere „klassische“ Welt – hervorgehen, ist eine der großen offenen Fragen der Physik.

Mit den aktuellen Forschungsarbeiten in Heidelberg und Wien ist es gelungen, Vorgänge in einem Quanten-Vielteilchensystem in Experimenten präzise zu beobachten, um die Ausbildung statistischer Eigenschaften besser zu verstehen. Die Wissenschaftler haben dazu Wolken aus wenigen tausend Atomen auf einem speziellen Mikrochip eingefangen und auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von -273 Grad Celsius gekühlt. Dabei treten die Quanteneigenschaften der Atome hervor.

Die Experimente brachten Erstaunliches zu Tage: Nach einer plötzlichen Änderung der äußeren Bedingungen am Mikrochip strebt das Quantengas hin zu einem Gleichgewichtszustand, der durch ein statistisches Modell mit mehreren Temperaturen beschrieben wird.

Das Gas kann also heiß und kalt zugleich sein. Die Anzahl der Temperaturen hing davon ab, wie die Forscher die Gase manipulierten. Nach den Worten von Dr. Tim Langen, der die Studie am Atominstitut leitete, können diese komplexen Quantensysteme mit den Mikrochips sehr gut kontrolliert und ihr Verhalten untersucht werden.

Dies ist aus seiner Sicht besonders wichtig, da es bereits zuvor entsprechende theoretische Vermutungen gab, das vorhergesagte Verhalten aber noch nie direkt beobachtet und kontrolliert erzeugt werden konnte.

Die Experimente in Wien wurden an der Universität Heidelberg mit umfangreichen numerischen Berechnungen begleitet. Die Wissenschaftler berechneten die Quantendynamik der Gase, um die theoretischen Vorhersagen überprüfen und die Messdaten korrekt interpretieren zu können.

„Eine wesentliche Voraussetzung dafür ist vor allem die Möglichkeit, hochkomplexe Zusammenhänge zwischen Messgrößen an unterschiedlichen Positionen in dem System direkt zu messen“, sagt der Heidelberger Physiker Sebastian Erne, der für den Vergleich zwischen Theorie und experimentellen Daten geeignete numerische Algorithmen entwickelt hat.

Mit Hilfe von Hochleistungsrechnern konnte er zeigen, dass die gemessenen Korrelationen die vorausgesagten speziellen statistischen Eigenschaften bedingen. „Das Gas muss also als heiß und kalt zugleich aufgefasst werden, damit die experimentellen Beobachtungen in sich schlüssig sind und sowohl den etablierten Gesetzen der Quantenphysik als auch der statistischen Beschreibung genügen“, betont Prof. Gasenzer.

Originalveröffentlichung:
T. Langen, S. Erne, R. Geiger, B. Rauer, T. Schweigler, M. Kuhnert, W. Rohringer, I. E. Mazets, T. Gasenzer, J. Schmiedmayer: Experimental observation of a generalized Gibbs ensemble, Science 10 April 2015: Vol. 348 no. 6231 pp. 207-211, doi: 10.1126/science.1257026

Kontakt:
Prof. Dr. Thomas Gasenzer
Kirchhoff-Institut für Physik
Telefon (06221) 54-5173
t.gasenzer@uni-heidelberg.de

Kommunikation und Marketing
Pressestelle, Telefon (06221) 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Weitere Informationen:

http://www.thphys.uni-heidelberg.de/~gasenzer

Marietta Fuhrmann-Koch | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht APEX wirft einen Blick ins Herz der Finsternis
25.05.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
23.05.2018 | 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: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

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

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

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