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 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