Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts

01.12.2016

In der Natur sind Systeme, die sich außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts befinden, allgegenwärtig. Aufgrund ihrer Bedeutung sowohl für die Grundlagenphysik als auch für die moderne Nanotechnologie erfahren sie seit einigen Jahren eine stetig wachsende Bedeutung. Im Rahmen einer Zusammenarbeit von Forschern der AG Theoretische Optik und Photonik des Max-Born-Instituts und der Humboldt-Universität zu Berlin mit Kollegen der Universität Potsdam, der Yale University und dem Los Alamos National Laboratory ist es nun gelungen, detaillierte neue physikalische Einsichten zur Quantenreibung eines Atoms an einer (glatten) Oberfläche zu erhalten.

Dynamische van der Waals- bzw. Casimir-Kräfte zwischen Atomen, Molekülen und Oberflächen stellen eine spezielle Klasse solcher Nicht-Gleichgewichts-Phänomene dar. Diese Kräfte sind quantenmechanischen Ursprungs und bilden die Grundlage der (kontaktlosen) Quantenreibung, die immer dann auftritt, wenn sich zwei Objekte im Abstand von wenigen zehn Nanometern relativ zueinander bewegen.


Schematische Darstellung des Unterschieds zwischen der LTG-Näherung (a) und der vollen Nicht-Gleichgewichts-Beschreibung (b) der Quantenreibung. Im ersten Fall wird angenommen, dass das Atom und die Oberfläche separat im thermodynamischen Gleichgewicht mit der jeweiligen unmittelbaren Umgebung sind. Allerdings führen die Quanten-Korrelationen zwischen dem Atom und der Oberfläche (im Bild (b) durch die Wechselwirkungspfeile angedeutet) zum Zusammenbruch dieser Näherung, die die Stärke der Quantenreibung um ca. 80% unterschätzt.

Grafik: MBI

Allerdings stellt die detaillierte quantitative Beschreibung solcher Nicht-Gleichgewichts-Systeme eine nicht zu unterschätzende Herausforderung dar, so dass oft Näherungs-Verfahren zum Einsatz kommen, die auf der Annahme basieren, dass die Abweichungen von den Nicht-Gleichgewichts-Eigenschaften vergleichsweise klein sind. Und das geschieht sehr oft auch dann, wenn die Gültigkeit der Annahme sowie die zugehörigen approximativen Zugänge unzureichend getestet und in der Folge die Belastbarkeit der Ergebnisse nicht ausreichend gesichert sind.

Im krassen Gegensatz mit weithin anerkannten Annahmen, die auch die verfügbare Literatur dominieren, konnten die Forscher zeigen, dass die Annahme eines lokalen thermischen Gleichgewichts (LTG), welche die miteinander wechselwirkenden Teilsysteme eines allgemeinen Nicht-Gleichgewichts-Systems so behandelt, als wäre jedes für sich zunächst im thermischen Gleichgewicht mit der jeweils unmittelbaren Umgebung, im Falle der Quantenreibung dramatisch versagt.

Auf der Basis allgemein gültiger Aussagen der Quantenstatistik und exakt lösbarer Modelle, haben die Forscher nachgewiesen, dass die LTG-Näherung die Reibungskraft um ca. 80% unterschätzt. Da die LTG-Näherung das Arbeitspferd bei der Behandlung einer Vielzahl von Nicht-Gleichgewichts-Phänomenen ist, die vom thermischen Energietransport bis hin zu Nicht-Gleichgewichts-Dispersionskräften reicht, demonstrieren diese Ergebnisse, dass bisherige Rechnungen auf der Basis der LTG-Näherung einer strengen Rechtfertigung entbehren und daher überprüft werden müssen.

Neben der Beantwortung grundsätzlicher Fragen im stark interdisziplinären Feld der van der Waals/Casimir Kräfte, werden die Ergebnisse der Forscher beträchtliche Auswirkungen auf eine Vielzahl von Anwendungen im hoch-aktuellen Bereich der Nicht-Gleichgewichts-Physik haben, wie etwa bei miniaturisierten Fallen für ultra-kalte Gase (Atom Chips), nano-elektromechanischen Systemen (NEMS) und der Strahlungsübertragung im Nah-Feld. Dementsprechend liegt mit der vorliegenden Arbeit eine quantitative Analyse vor, deren Aussagen einen erheblichen Fortschritt für das Verständnis der Nicht-Gleichgewichts-Quantenphysik darstellen.

Originalpublikation: Phys. Rev. Lett. 117, 100402 (2016) DOI:10.1103/PhysRevLett.117.100402
"Failure of local thermal equilibrium in quantum friction",
F. Intravaia, R.O. Behunin, C. Henkel, K. Busch, and D.A.R. Dalvit

Kontakt
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.
Max-Born-Straße 2 A
12489 Berlin
Dr. Francesco Intravaia,
phone: +49 30 6392 1261
mail: nabu@mbi-berlin.de

Weitere Informationen:

http://www.mbi-berlin.de

Karl-Heinz Karisch | Forschungsverbund Berlin e.V.

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Der “Stein von Rosetta” für aktive Galaxienkerne entschlüsselt
21.06.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern
20.06.2018 | Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.

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: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Im Focus: Revolution der Rohre

Forscher*innen des Instituts für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) der Hochschule Coburg lassen Rohrleitungen, Schläuchen oder Behältern in Zukunft regelrecht Ohren wachsen. Sie entwickelten ein innovatives akustisches Messverfahren, um Ablagerungen in Rohren frühzeitig zu erkennen.

Rückstände in Abflussleitungen führen meist zu unerfreulichen Folgen. Ein besonderes Gefährdungspotential birgt der Biofilm – eine Schleimschicht, in der...

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....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

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

Der “Stein von Rosetta” für aktive Galaxienkerne entschlüsselt

21.06.2018 | Physik Astronomie

Schneller und sicherer Fliegen

21.06.2018 | Informationstechnologie

Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

21.06.2018 | Innovative Produkte

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