Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantensimulation eines relativistischen Teilchens

07.01.2010
Dirac-Gleichung, ein Eckstein der Physik, von Innsbrucker Quantenphysikern simuliert

Forscher des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) verwendeten ein Ion zur Simulation eines relativistischen Quantenteilchens und konnten dabei ein Phänomen nachweisen, das in der Natur nie direkt beobachtet wurde: die sogenannte Zitterbewegung. Sie berichten darüber in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature.

Nachdem sich die Quantenmechanik in den 1920er-Jahren etabliert hatte, gelang es dem britischen Physiker Paul Dirac 1928 erstmals, diese Theorie auch mit der von Albert Einstein postulierten Speziellen Relativitätstheorie zu verbinden. Damit konnte die Quantenphysik auch auf Teilchen anwendbar gemacht werden, für die relativistische Verhältnisse gelten, die sich also mit extrem hoher Geschwindigkeit (nahe der Lichtgeschwindigkeit) bewegen. Aus der von Dirac formulierten Gleichung entsprangen einige bahnbrechende neue Erkenntnisse wie jene, dass es zu jedem Teilchen auch ein Antiteilchen (die Antimaterie) gibt, sowie eine natürliche Erklärung für die Existenz des Elektronenspins. Der österreichische Nobelpreisträger Erwin Schrödinger postulierte in der Folge 1930 die Existenz der sogenannten Zitterbewegung, einer Art Fluktuation in der Bewegung relativistischer Teilchen. „Nach der Dirac-Gleichung bewegt sich ein solches Teilchen im freien Raum nicht geradlinig fort, sondern ‚zittert’ in allen drei Raumdimensionen“, erklärt Christian Roos vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). „Es ist unklar, ob sich diese Zitterbewegung in der Natur direkt beobachten lässt.“

Quantensimulation eines Quantenteilchens
Physikalische Phänomene werden oftmals durch Gleichungen beschrieben, die zu kompliziert sind, um sie exakt zu lösen. In diesem Fall stützen sich Wissenschaftler oft auf Computersimulationen, um Antworten auf offene Fragen zu erhalten. Da diese Strategie selbst für relativ kleine Quantensysteme an der mangelnden Rechenleistung der Computer scheitert, haben Forscher wie Richard Feynman vorgeschlagen, diese Phänomene in anderen Quantensystemen experimentell zu simulieren. Voraussetzung dafür sind freilich sehr detaillierte Kenntnisse der Physik dieser Systeme und eine extrem gute Beherrschung der Technologie. All dies hat die Forschungsgruppe um Prof. Rainer Blatt mit ihren Experimenten zu Quantencomputern in den vergangenen Jahren in Innsbruck aufgebaut und ist daher nun in der Lage, solche Quantensimulationen im Labor durchzuführen. „Die Herausforderung besteht darin, die Gleichungen in dem Quantensystem gut nachzubilden, die verschiedenen Parameter über einen weiten Bereich zu kontrollieren und die Ergebnisse zu messen“, sagt Christian Roos. Die Innsbrucker Experimentalphysiker haben dazu ein Kalziumatom in einer Ionenfalle gefangen und mit Lasern stark abgekühlt. In diesem wohldefinierten Zustand wurden dem Teilchen mit Hilfe von weiteren Lasern die Eigenschaften des zu simulierenden relativistischen Teilchens eingeschrieben. „Unser Quantensystem verhielt sich nun genau so wie ein freies, relativistisches Teilchen, das den Gesetzmäßigkeiten der Dirac-Gleichung gehorcht“, erklärt Rene Gerritsma, niederländischer Postdoc am IQOQI und Erstautor des Beitrags in der Fachzeitschrift Nature. Mit Hilfe von Messungen konnten die Wissenschaftler schließlich die Eigenschaften dieses simulierten Teilchens charakterisieren. „So gelang es uns, die Zitterbewegung in der Simulation nachzuweisen. Auch konnten wir die Wahrscheinlichkeit bestimmen, mit der sich das Teilchen an einem bestimmten Ort befindet“, erläutert Gerritsma. In dem sehr kleinen Quantensystem bildeten die Physiker die Dirac-Gleichung nur für eine räumliche Dimension nach. „Es handelt sich um ein Demonstrationsexperiment“, sagt Roos, „das mit entsprechendem technologischen Aufwand auch auf dreidimensionale Verhältnisse umgelegt werden kann.“
Auch Antiteilchen simuliert
Das Innsbrucker Experiment zeichnet sich durch eine extrem gute Beherrschung der physikalischen Eigenschaften des simulierten Teilchens aus. So konnten die Physiker zum Beispiel die Masse des Objekts verändern und auch Antiteilchen simulieren. „Letztendlich war unser Zugang sehr einfach, aber man muss erst einmal auf die Idee kommen, es so zu machen“, sagt Christian Roos, dessen Team sich dabei vom theoretischen Vorschlag einer spanischen Forschergruppe inspirieren ließ. Finanziell unterstützt wurden die Forscher unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Europäischen Kommission.

Publikation: Quantum simulation of the Dirac equation. Gerritsma R, Kirchmair G, Zähringer F, Solano E, Blatt R, Roos CF. Nature 7. Januar 2010. (In der gleichen Ausgabe findet sich ein „News and Views“-Beitrag von Christof Wunderlich zu dieser Arbeit)

Kontakt:
Dr. Christian Roos
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Otto-Hittmair-Platz 1
A-6020 Innsbruck, Austria
Tel.: +43 512 507-4728
E-Mail: Christian.Roos@uibk.ac.at
Dr. Christian Flatz
Public Relations
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Otto-Hittmair-Platz 1, 6020 Innsbruck, Austria
Mobil: +43 650 5777122
E-Mail: pr-iqoqi@oeaw.ac.at

Dr. Christian Flatz | IQOQI
Weitere Informationen:
http://www.iqoqi.at
http://www.quantumoptics.at
http://iqoqi.at/download

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin 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: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie