Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenzustände aus dem Nichts

15.08.2013
Forscher haben eine neue Methode demonstriert, um äußerst empfindliche Quantenzustände herzustellen, die in Zukunft große Bedeutung erlangen könnten.

Im Gegensatz zur alltäglichen Erfahrung können quantenmechanische Objekte gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren. Solche Überlagerungszustände sind jedoch derart empfindlich, dass sie schon durch die Wechselwirkung mit dem Vakuum zerstört werden können.


Bild 1: Detailansicht des Experiments. Die Probe mit den zwischen spiegelnden Schichten eingebetteten Eisenatomen wird im flachen Winkel mit Röntgenlicht bestrahlt und das reflektierte Licht gemessen. Foto/Grafik: MPI für Kernphysik


Bild 2: Experimentelle Messdaten (schwarz) im Vergleich zu den theoretischen Vorhersagen (rot). Das Bild zeigt die von den Atomkernen reflektierte Lichtintensität als Funktion der Lichtenergie relativ zur Resonanzenergie. Das Röntgenlicht kann die Atomkerne in verschiedene Zustände anregen, die im Experiment jeweils zu einem Maximum in der gemessenen Lichtintensität führen. Die einzelnen Zustände liegen energetisch dicht beieinander, so dass man eigentlich erwarten würde, dass sich Beiträge der verschiedenen Zustände überlappen. Im Experiment beobachtet man jedoch, dass die Intensität zwischen einzelnen Maxima komplett verschwindet (blaue Bereiche). Die theoretische Analyse zeigt, dass ein derartiges Verhalten auf die vom Vakuum erzeugten Überlagerungszustände zurückzuführen ist. Die verschiedenen Anregungsmöglichkeiten in diesen Überlagerungszustand interferieren, was zum Verschwinden der Lichtintensität führt. Grafik: MPI für Kernphysik

Den Forschern ist es nun gelungen, diese mit dem Vakuum so zu manipulieren, dass das Vakuum diese Überlagerungszustände erzeugt und sogar stabilisiert anstatt sie zu zerstören. Dies eröffnet vielseitige Zukunftsperspektiven für Quantenoptik mit neuartigen Röntgen-Lichtquellen.

Eine der überraschendsten Vorhersagen der Quantenmechanik ist es, dass sich ein Quantenobjekt in mehreren Zuständen gleichzeitig befinden kann. Eine Überlagerung von Zuständen widerspricht der Alltagserfahrung, nach der jedes Objekt stets klar definierte Eigenschaften hat.

Besonders deutlich wird dies in Erwin Schrödingers berühmtem Gedankenexperiment, in dem eine Katze nach den Regeln der Quantenmechanik gleichzeitig in den Zuständen ‚tot‘ und ‚lebendig‘ sein kann. Erst eine Messung entscheidet über das Schicksal der Katze. Trotz der scheinbar absurden Konsequenzen können derartige Überlagerungen mit Quantenobjekten erzeugt werden. Sie sind essentiell für viele Anwendungen der Quantenmechanik, wie z.B. zukünftige Quantencomputer.

Leider sind solche Überlagerungszustände jedoch sehr empfindlich, sodass sie nur in einem vollständig isolierten System überleben können. Doch selbst bei bester experimenteller Realisierung gibt es noch einen quantenmechanischen Störeffekt: Während das Vakuum aus klassischer Sicht leer ist, entstehen im quantenmechanischen Vakuum permanent Teilchen, die nach kürzester Zeit wieder verschwinden.

Bereits die Wechselwirkung dieser unvermeidlichen Vakuumfluktuationen mit dem Überlagerungszustand genügt oft, um ihn zu zerstören. Ein viel versprechender Ausweg ist aus theoretischer Sicht bereits seit mehr als 40 Jahren bekannt. Damals wurde vorhergesagt, dass die Wechselwirkung mit dem Vakuum derart manipuliert werden kann, dass sie stattdessen die gewünschten Überlagerungszustände erzeugt. Leider ist dies jedoch an strenge Bedingungen geknüpft, was die experimentelle Ausnutzung bisher verhindert hat.

Theoretische Überlegungen von Kilian Heeg und Jörg Evers vom MPI für Kernphysik haben nun gezeigt, wie die strikten Bedingungen umgangen werden können. Hierzu ersannen sie zwei Tricks. Zum einen wird der Überlagerungszustand in Atomkernen realisiert, die von zwei Spiegeln umgeben sind. Dadurch lässt sich die Wechselwirkung mit den Teilchen aus dem Vakuum gezielt beeinflussen. Zum anderen betrachten die beiden Theoretiker eine große Zahl von Atomkernen zwischen den Spiegeln, sodass die auftretenden Mechanismen durch kollektive Effekte verstärkt werden. Die beiden Kniffe zusammen erlauben es, robuste Überlagerungen zwischen verschiedenen Anregungszuständen der Atomkerne entstehen zu lassen.

Hans-Christian Wille und Ralf Röhlsberger vom DESY leiteten ein Experiment, mit dem die Erzeugung der Überlagerungszustände durch das Vakuum in guter Übereinstimmung mit den Vorhersagen demonstriert werden konnte. Dazu betteten sie eine große Zahl von Eisenkernen als Schicht von 2,5 Millionstel Millimetern zwischen ähnlich dünne Schichten aus Palladium ein, die als Spiegel wirken. Die so präparierten Kerne wurden dann mit Röntgenstrahlen aus der Synchrotronquelle PETRA III des DESY in Hamburg untersucht. Mit einem unter der Leitung von Ingo Uschmann und Gerhard Paulus (Uni Jena/Helmholtz-Institut Jena) entwickelten sogenannten Röntgenpolarimeter gelang es, das Signal mit bisher unerreichter Effizienz zu detektieren. Die Experimentatoren konnten die Wechselwirkung zwischen dem Vakuum und den Atomkernen durch ein zusätzlich angelegtes schwaches Magnetfeld erfolgreich kontrollieren.

Diese Methode eröffnet vielfältige Möglichkeiten für zukünftige Experimente: Die durch das Vakuum erzeugten Überlagerungszustände können systematisch untersucht und für Anwendungen ausgenutzt werden, denn das jetzt angewendete Schema ist nicht auf den Röntgenbereich beschränkt, sondern funktioniert prinzipiell auch mit sichtbarem Licht. So ergibt sich die Chance, die bisher theoretisch vorgeschlagenen Anwendungen zu realisieren, die von neuartigen Laser-Mechanismen bis hin zur Steigerung der Effizienz von Solarzellen reichen. Möglicherweise gelingt es auch, die Eigenschaften der Atomkerne dynamisch zu verändern. Gleichzeitig zeigt das jetzt erfolgreich durchgeführte Experiment, wie sich störungsfreie und vielseitig konfigurierbare quantenoptische Modellsysteme für Anwendungen mit harter Röntgenstrahlung verwirklichen lassen, was eine interessante Zukunftsperspektive für neuartige Röntgen-Lichtquellen wie den derzeit in Hamburg im Bau befindlichen European XFEL bietet.

Originalveröffentlichung:
Vacuum-assisted generation and control of atomic coherences at x-ray energies
K.P. Heeg, H.-C. Wille, K. Schlage, T. Guryeva, D. Schumacher, I. Uschmann, K.S. Schulze, B. Marx, T. Kämpfer, G.G. Paulus, R. Röhlsberger, J. Evers

Phys. Rev. Lett. 111, 073601 (2013), DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.073601 http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.111.073601

Kontakt:

Dr. Jörg Evers
Max-Planck-Institut für Kernphysik
Tel.: +49 6221 516-177
E-Mail: joerg.evers@mpi-hd.mpg.de
Dr. Ralf Röhlsberger
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
Tel.: +49 40 8998-4503
E-Mail: ralf.roehlsberger@desy.de

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpi-hd.mpg.de/keitel/evers/index.php
http://petra3.desy.de/index_ger.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2017

23.02.2017 | Veranstaltungen

Wie werden wir gesund alt? - Alternsforscher tagen auf interdisziplinärem Symposium in Magdeburg

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Heinz Maier-Leibnitz-Preise 2017: DFG und BMBF zeichnen vier Forscherinnen und sechs Forscher aus

23.02.2017 | Förderungen Preise

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor

23.02.2017 | Physik Astronomie