Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Randeffekte in Quantensystem simuliert

25.09.2015

Forscher aus Florenz und Innsbruck haben in einem atomaren Quantengas ein physikalisches Phänomen simuliert, das an den Rändern mancher Materialien zu beobachten ist: sogenannte chirale Ströme. Die Forscher berichten nun in der Fachzeitschrift Science über das Experiment, das die Tür für die weitere Aufklärung exotischer Erscheinungen in Festkörpern öffnet.

Die Physik von Festkörpern gibt auch heute noch viele Rätsel auf. Neue Möglichkeiten ergeben sich durch Fortschritte in der experimentellen Quantenphysik.


Der Innsbrucker Theoretiker Marcello Dalmonte

Uni Innsbruck

Insbesondere haben sich ultrakalte Atome, die in optischen Gittern gefangen und sehr gut kontrolliert werden können, als ideales Werkzeug für die Untersuchung von physikalischen Phänomenen in Festkörpern erwiesen.

Eines dieser Phänomene wird im Zusammenhang mit dem Quanten-Hall-Effekt beobachtet: Werden bestimmte Materialen einem starken Magnetfeld ausgesetzt, können Elektronen an den Rändern keine ungestörten Kreisbahnen durchlaufen, stoßen an den Rand und werden dort reflektiert. Dadurch beschreiben sie „hüpfende Umlaufbahnen“.

Als makroskopische Konsequenz sind an den Rändern von Platten dieser Materialien sogenannte „chirale Ströme“ zu beobachten, die an den gegenüberliegenden Rändern in gegenläufige Richtungen fließen.

„Man kann sich das wie einen Fluss vorstellen, in dem die Fische am einen Ufer nach rechts und am anderen Ufer nach links schwimmen“, beschreibt der Theoretiker Marcello Dalmonte aus der Arbeitsgruppe von Peter Zoller am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und am Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck das Phänomen.

Forscher lassen Atome hüpfen

Das Team um Peter Zoller hatte bereits vor zehn Jahren einen Vorschlag gemacht, wie chirale Ströme mit neutralen Atomen simuliert werden können. Diese Idee haben nun Physiker am European Laboratory for Nonlinear Spectroscopy (LENS) in Florenz gemeinsam mit den Innsbrucker Theoretikern aufgegriffen und umgesetzt.

Die Wissenschaftler fangen dazu im Labor ein stark abgekühltes Gas aus Ytterbium-Atomen in einem aus Laserstrahlen gebildeten, optischen Gitter. Weil sich die Struktur von Platten im Experiment nur sehr schwer nachbilden lässt, haben die Physiker zu einem weiteren Trick gegriffen, den Forscher am Institute of Photonic Sciences in Barcelona entwickelt haben: Sie nutzen für ihre Messungen jeweils eindimensionale Ketten von Atomen und bilden die zweite Dimension synthetisch nach. Dazu verwenden sie zwei oder drei interne Zustände, in die die Atome mit Hilfe von Lasern versetzt werden.

„Theoretisch gesprochen ist diese Springen in andere interne Zustände genau das Gleiche wie das geometrische Springen der Elektronen in den Randzonen eines Festkörpers“, erklärt Marcello Dalmonte. Gemeinsam mit Marie Rider und Peter Zoller hat er theoretische Vorarbeiten für das Experiment geleistet und wichtige Hinweise gegeben, wie das Phänomen messtechnisch erfasst werden kann.

Die nun in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Messergebnisse zeigen, dass sich die Teilchen auf einer Ebene mehrheitlich nach rechts und auf einer anderen Ebene mehrheitlich nach links bewegen. „Dieses Verhalten ist sehr ähnlich den aus der Festkörperphysik bekannten chiralen Strömen“, sagt Dalmonte.

Mit der Simulation dieser exotischen Effekte eröffnen die Forscher die Möglichkeit zur Untersuchung neuer physikalischer Phänomene. So werden im Zusammenhang mit dem Quanten-Hall-Effekt zum Beispiel Anyonen intensiv erforscht. Diese exotischen Quasiteilchen werden auch als Grundlage für topologische Quantencomputer gehandelt.

Unterstützt wurden die Forschungen unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, dem europäischen Wissenschaftsrat ERC und der Europäischen Union.

Publikation: Observation of chiral edge states with neutral fermions in synthetic Hall ribbons. M. Mancini, G. Pagano, G. Cappellini, L. Livi, M. Rider, J. Catani, C. Sias, P. Zoller, M. Inguscio, M. Dalmonte, L. Fallani. Science, 25. September 2015 (doi: 10.1126/science.aaa8736)

Kontakt:
Marcello Dalmonte
Institut für Theoretische Physik
Universität Innsbruck und
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Tel.: +43 512 507 4792
E-Mail: marcello.dalmonte@uibk.ac.at

Christian Flatz
Public Relations
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507 32022
Mobil: +43 676 872532022
E-Mail: christian.flatz@uibk.ac.at

Weitere Informationen:

http://www.uibk.ac.at/th-physik/qo/ - Arbeitsgruppe Quantenoptik
http://www.uibk.ac.at/th-physik/ - Institut für Theoretische Physik, Universität Innsbruck
http://iqoqi.at/ - Institut für Quantenoptik und Quanteninformation, ÖAW
http://www.lens.unifi.it/ - European Laboratory for Nonlinear Spectroscopy (LENS)

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ein neues Experiment zum Verständnis der Dunklen Materie
14.06.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Quanten-Übertragung auf Knopfdruck
14.06.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Schafft der Mensch seine Arbeit ab?

15.06.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Asteroidenforschung in Garching

13.06.2018 | Veranstaltungen

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

Neuer Abwehrmechanismus gegen Sauerstoffradikale entdeckt

18.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Umwandlung von nicht-neuronalen Zellen in Nervenzellen

18.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Im Fußballfieber: Rittal Cup verspricht Spannung und Spaß

18.06.2018 | Unternehmensmeldung

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