Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenphysikalisches Modellsystem

06.04.2017

Heidelberger Physiker reproduzieren mithilfe computergestützter Methoden ein Experiment mit ultrakalten Atomen

Ein Modellsystem, das ein besseres Verständnis der Vorgänge in einem quantenphysikalischen Experiment mit ultrakalten Atomen ermöglicht, haben zwei Wissenschaftler der Universität Heidelberg entwickelt.


Schematische Darstellung des Füllprozesses: Die Atome in den äußeren Potentialtöpfen (durch gelbe Kugeln dargestellt) bewegen sich wie durch die roten Pfeile angedeutet in den mittleren Topf.

Grafik: David Fischer

Mithilfe computergestützter Methoden konnten Prof. Dr. Sandro Wimberger und David Fischer vom Institut für Theoretische Physik dabei Gesetzmäßigkeiten entdecken, die auf universelle Eigenschaften dieses Systems hindeuten. Veröffentlicht wurden die Forschungsergebnisse in der Fachzeitschrift „Annalen der Physik“.

Kleine Teilchen folgen unter bestimmten Voraussetzungen völlig anderen physikalischen Gesetzen, als wir sie aus dem Alltag gewohnt sind. „Die Beobachtung solcher quantenphysikalischer Phänomene gestaltet sich jedoch mitunter schwierig und erfordert es, mit kleinen und isolierten Systeme zu arbeiten und sie zu erforschen.

Eine perfekte Isolation von der Umgebung ist jedoch nie möglich, so dass der fragile Zustand des Quantensystems leicht durch äußere Einflüsse gestört werden kann“, erläutert Erstautor David Fischer, der an der Universität Heidelberg studiert. Für Experimente in diesem Bereich ist es daher von großem Interesse, solche Störungen unter Kontrolle zu halten.

„Diese Kontrolle ermöglicht es nicht nur, die Kohärenz des Systems zu gewährleisten, sondern kann auch gezielt dazu benutzt werden, um spezielle Zustände herbeizuführen“, betont Prof. Wimberger.

Als geeignete Testobjekte haben sich in vielen Experimenten ultrakalte Atome erwiesen, die in sogenannte Potentialtöpfe gefüllt werden. Hier wird durch eine spezielle Laser-Anordnung eine Barriere erzeugt, durch die die Atome in einem kleinen Bereich eingesperrt sind. Werden nun mehrere Töpfe nahe genug zusammengebracht, haben die Atome die Möglichkeit, von einem Topf in einen benachbarten zu „tunneln“.

Sie sind zwar immer noch innerhalb der Töpfe gefangen, können sich aber von Topf zu Topf bewegen, wie die Heidelberger Physiker erläutern. Die Temperatur der Atome, die nur knapp oberhalb des absoluten Nullpunkts von -273,15 Grad Celsius liegt, begünstigt dieses quantenmechanische Verhalten.

Bei der Entwicklung ihres Modellsystems haben David Fischer und Sandro Wimberger ein an der Technischen Universität Kaiserslautern durchgeführtes Experiment reproduziert. Dort wurde das Verhalten von kalten Atomen in einer Kette von Potentialtöpfen untersucht. Die Forscher füllten die Kette dazu mit Atomen, leerten den mittleren Topf und beobachteten, wie dieser sich wieder mit Atomen aus den anderen Töpfen füllte.

„Die Ergebnisse dieser Untersuchung legen nahe, dass bei diesem Vorgang Dekohärenz, also äußere Störeinflüsse, eine entscheidende Rolle spielt. Unklar ist jedoch, durch welche mikroskopischen Prozesse das Quantensystem mit der Umgebung wechselwirkt“, sagt David Fischer.

In ihrer computergestützten Simulation des Wiederauffüll-Vorgangs haben die beiden Heidelberger Wissenschaftler nun verschiedene Hypothesen untersucht und sind dabei der Frage nachgegangen, welche Prozesse tatsächlich auf das Verhalten des Modellsystems einwirken.

Dabei haben sie unter anderem beobachtet, wie sich die für den Wiederauffüllvorgang benötigte Zeit bei Variation der Systemparameter verändert. Diese Zeitdauer folgt einem Potenzgesetz – abhängig von der Dekohärenz-Rate, die die Forscher vorgegeben haben. „In der Physik ist das oftmals ein Zeichen für ein universelles Verhalten des Systems, das für alle Skalen gilt und somit das Gesamtproblem vereinfacht“, so Prof. Wimberger.

Originalpublikation:
D. Fischer und S. Wimberger: Models for a multimode bosonic tunneling junction, Ann. Phys. (2017) (published online 13 February 2017), doi: 10.1002/andp.201600327

Kontakt:
Prof. Dr. Sandro Wimberger
Institut für Theoretische Physik
Telefon (06221) 54-9449
s.wimberger@thphys.uni-heidelberg.de

Kommunikation und Marketing
Pressestelle
Tel. +49 6221 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Marietta Fuhrmann-Koch | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-heidelberg.de

Weitere Berichte zu: Atome Dekohärenz Gesetzmäßigkeiten Physik Störeinflüsse

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala
20.04.2018 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Licht macht Ionen Beine
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

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: 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...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

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

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

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

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

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