Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantensimulator mit großem Potential

07.04.2009
MPQ-Wissenschaftler erfinden neues Verfahren für die Steuerung atomarer Gase

In vielen noch nicht verstandenen Bereichen der Physik setzen die Wissenschaftler ihre Hoffnung in den Quantencomputer.

Die besonderen Eigenschaften der Quantenteilchen, die hier der Speicherung und Kodierung von Informationen dienen, sollen die Lösung komplexer Fragestellungen ermöglichen, an denen klassische Computer aus Gründen der Rechenzeit scheitern. Die Realisierung eines universellen Quantencomputers, der beliebige Aufgaben bearbeiten kann, ist noch nicht in greifbarer Nähe. Allerdings können bereits mit heutigen Methoden so genannte Quantensimulationen durchgeführt werden.

Hierbei bilden Anordnungen aus direkt steuerbaren Quantenteilchen Modelle für komplexe Systeme, die sich gezielten Manipulationen entziehen. Ein neues, viel versprechendes Verfahren hat jetzt ein Team um Professor Gerhard Rempe vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching entwickelt. Wie die Forscher in der Zeitschrift Nature Physics (Advance online Publication, 6. April 2009) berichten, können sie durch gleichzeitiges Anlegen geeigneter Laser- und Magnetfelder die Eigenschaften atomarer Gase verändern.

So erhalten die Forscher ein Werkzeug, um die Gase auf kleinen Skalen im Nanometerbereich und noch dazu zeitlich schnell veränderbar zu manipulieren. Damit könnte es möglicherweise gelingen, die Vorgänge in Schwarzen Löchern oder Festkörpereigenschaften wie die Supraleitung besser zu verstehen.

Die Physiker beginnen ihr Experiment mit einer dünnen Wolke aus etwa 100 000 Rubidiumatomen, die so stark abgekühlt ist, dass die Atome ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat (BEC) bilden: Sie verlieren ihre Individualität und verhalten sich wie ein einziges Superatom. Dabei spürt jedes Atom die Gegenwart der umgebenden Atome, denn es tritt mit diesen durch Stöße in Wechselwirkung. Während eines Stoßes kommen sich je zwei Atome sehr nahe und bilden dabei kurzzeitig ein Molekül, bevor sie wieder als freie Atome auseinander fliegen.

Um die Eigenschaften solcher Stöße gezielt zu beeinflussen, wird seit einigen Jahren eine Methode verwendet, bei der von außen ein Magnetfeld an das Gas angelegt wird. Dadurch gelingt es, die Zeit zu verlängern, in der ein Atompaar während eines Stoßes als temporär geformtes Molekül vorliegt. Mit der Änderung der Stoßeigenschaften ändern sich dann auch die Eigenschaften des Gases als Ganzes. Diese Methode ist recht erfolgreich. Allerdings ist ihr Anwendungsbereich leider dadurch begrenzt, dass aufgrund der geometrischen Verhältnisse diese Manipulation nicht auf sehr kleinen räumlichen Skalen durchzuführen ist.

Vor wenigen Jahren wurde eine alternative Methode entwickelt, bei der anstelle des Magnetfeldes Laserlicht verwendet wird, um die Stoßeigenschaften der Atome gezielt zu beeinflussen. Die Frequenz des Laserlichts muss dabei in der Nähe der Anregungsenergie der temporär gebildeten Moleküle liegen. Die Lichtintensität lässt sich naturgemäß mit hoher räumlicher Auflösung, nämlich auf der Skala der optischen Wellenlänge (einige hundert Nanometer) steuern, so dass auch die Eigenschaften des Gases auf dieser Längenskala von außen vorgegeben werden können. Allerdings führt der Einfluss des Laserlichts leider auch dazu, dass Teilchen aus dem kalten Gas verloren gehen, und zwar so schnell, dass sich die Methode kaum für praktische Anwendungen nutzen lässt.

In dem vorliegenden Experiment kombinieren die Wissenschaftler erstmals beide Steuerungstechniken, d.h. sie legen ein Magnetfeld an und bestrahlen die kalte Atomwolke gleichzeitig mit Laserlicht. Wie die Forscher in ihren Messungen zeigten, verändert das Laserlicht auch hier die Stoßeigenschaften. Allerdings sind dafür jetzt weniger hohe Lichtintensitäten nötig, da die Atompaare wegen des Magnetfelds längere Zeit als gebundene Moleküle vorliegen. Die Verlustprozesse laufen daher deutlich langsamer ab. Die Eigenschaften des Atomgases können hier also mit Laserlicht (und daher auf kleinen Längenskalen) beeinflusst werden, jedoch mit weit geringeren Teilchenverlusten als bei der bisher bekannten Technik.

Diese Ergebnisse haben ein hohes Anwendungspotential. Man kann z.B. mit einer holographischen Maske ein komplexes Lichtmuster erzeugen und dem Bose-Einstein-Kondensat überlagern. Die Lichtintensität kann dabei auf einer Skala moduliert werden, die der optischen Wellenlänge entspricht, und außerdem kann das Muster innerhalb kurzer Zeit verändert werden. Damit entsteht die Möglichkeit, die Stoßeigenschaften in einem ultrakalten Gas durch Licht sehr flexibel zu verändern.

Der nächste Schritt wird darin bestehen, diese Methode auf ein BEC in einem optischen Gitter anzuwenden. Das ist ein Kristall aus Licht, der durch geeignete Überlagerung aus stehenden Laserwellen erzeugt wird, sodass sich helle und dunkle Gebiete periodisch abwechseln. In diesem Lichtfeld bewegen sich die Atome ähnlich wie die Elektronen im Kristallgitter eines Festkörpers. Durch Kombination mit der neuen Methode können in solchen Gittern weit komplexere Systeme simuliert werden, als mit den bisherigen Methoden, mit denen die Wechselwirkungsstärke entweder nur für alle Gitterplätze gleichzeitig verändert werden konnte, oder die Teilchen so schnell verloren gingen, dass kaum Zeit zum Experimentieren blieb. Damit eröffnen sich deutlich breitere Anwendungsbereiche für Quantensimulationen. [OM/SD]

Originalveröffentlichung:
Dominik M. Bauer, Matthias Lettner, Christoph Vo, Gerhard Rempe, and Stephan Dürr
"Control of a magnetic Feshbach resonance with light"
Nature Physics, Advance online publication, 6. April 2009
Kontakt:
Prof. Dr. Gerhard Rempe
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Telefon: +49 - 89 / 32905 - 701
Fax: +49 - 89 / 32905 - 311
E-Mail: gerhard.rempe@mpq.mpg.de
Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse & Kommunikation
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 - 89 / 32905 - 213
Fax: +49 - 89 / 32905 - 200
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität 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: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise