Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schneckentempo statt Lichtgeschwindigkeit

07.12.2011
Nicht immer muss ein Teilchen den Berg der Aktivierungsenergie überwinden.

Unter bestimmten Bedingungen nehmen Atome eine Abkürzung, indem sie das Hindernis einfach durchtunneln. Physikern der Universität Bonn ist es nun gelungen, an stark gekühlten Rubidium-Atomen und einem optischen Gitter diesen schon im Jahr 1929 beschriebenen Klein-Tunneleffekt zu beobachten, der eigentlich Teilchen nahe der Lichtgeschwindigkeit vorbehalten ist. Sie stellen ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Physical Review Letters“ vor.

Wenn ein Ball genügend Schwung hat, rollt er locker über einen kleineren Hügel hinweg. Ist der Berg allerdings zu steil und zu hoch, kullert das runde Gebilde wieder zurück. Ähnlich ergeht es auch atomaren Teilchen, wenn sie einen „Energieberg“ überwinden müssen. Ist ihre Aktivierungsenergie geringer als für die Höhe der Barriere erforderlich, können die Partikel das Hindernis nicht überwinden. Soweit die klassische Physik. Doch in der Quantenmechanik gibt es auch Ausnahmen: Unter bestimmten Voraussetzungen schaffen es die Teilchen, den Berg quasi zu durchtunneln. Beim üblichen Quantentunneln können extrem dünne und flache Barrieren überwunden werden. Aber bereits 1929 sagte der schwedische Physiker Oskar Klein für sehr schnelle Teilchen voraus, dass sie im Prinzip sogar beliebig dicke Barrieren passieren können. Dieses Phänomen ist als Klein-Tunneleffekt bekannt.

Viele Teilchen auf engstem Raum

Für die Beobachtung des Klein-Tunneleffekts an frei fliegenden Elektronen müssten die Teilchen mit nahezu der Lichtgeschwindigkeit von rund 300.000 Kilometer pro Sekunde dahinrasen. „Außerdem bräuchte man gigantische elektrische Feldstärken von 10.000.000.000.000.000 Volt – also zehn Billiarden Volt – pro Zentimeter“, sagt Prof. Dr. Martin Weitz vom Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn. „Solch hohe Feldstärken haben bisher eine experimentelle Beobachtung verhindert.“ Mit Hilfe eines variabel geformten optischen Gitters wies das Forscherteam um Prof. Weitz nun das Klein-Tunneln eines atomaren Bose-Einstein-Kondensats nach. Es entsteht, wenn so viele Teilchen auf engstem Raum konzentriert werden, dass sie nicht mehr zu unterscheiden sind. Sie verhalten sich dann wie ein einziges „Superteilchen“.

Quantenmechanische Effekte verwandeln „Berge“ in „Täler“

Mit der Versuchsanordnung verringerten die Wissenschaftler die effektive Lichtgeschwindigkeit der Teilchen von blitzschnell auf das Tempo einer Schnecke, die mit rund einem Zentimeter pro Sekunde dahin kriecht. Die Bonner Physiker erzeugten das Bose-Einstein-Kondensat, indem sie Rubidiumatome sehr stark abkühlten. Anschließend luden sie das Gebilde auf eine Art optische Wellpappe, die sie aus gegenläufigen Lichtwellen erzeugt hatten, und rüttelten gewissermaßen das Ganze durch. Dann bewegten sie den Haufen aus Rubidiumatomen auf den Potentialberg zu. Quantenmechanische Effekte sorgten wie von Zauberhand dafür, dass sich der „Berg“ für die pendelnden Rubidiumatome in ein leicht passierbares „Tal“ verwandelten. Interessanterweise verhielten sich die Atome hier wie rückwärts laufende Antiteilchen. „Dass Gitter macht aus den Rubidiumatomen relativistische Teilchen, die sich ganz anders verhalten, als es die klassische Physik vorhersagt“, erläutert Prof. Weitz.

Ergebnisse decken sich mit der relativistischen Wellengleichung

Vor dem Hintergrund der Alltagserfahrung lässt sich dieser Effekt nur schwer erklären. „Man kann sich das entfernt so vorstellen, als würden die Teilchen im Gitter sehr schnell hin und her pendeln“, sagt der Physiker der Universität Bonn. „Obwohl die Vorwärtsgeschwindigkeit verglichen mit einem rollenden Ball nur sehr gering ist, haben die Atome sehr viel Energie.“ Naht nun ein Berg, verringern die Teilchen ihre Pendelbewegung und stecken ihre Energie in den Gipfelsturm. „Dieses Experiment beweist, dass die Ergebnisse für ultrakalte Atome in optischen Gittern mit den Vorhersagen der relativistischen Wellengleichung übereinstimmen“, sagt Prof. Weitz. „Es lassen sich so sonst schwer zugängliche relativistische Effekte im Labormaßstab nachweisen“.

Publikation: Tobias Salger, Christopher Grossert, Sebastian Kling, and Martin Weitz: Klein-Tunneling of a Quasirelativistic Bose-Einstein Condensate in an Optical Lattice, Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.240401

Kontakt:

Prof. Dr. Martin Weitz
Institut für Angewandte Physik
Tel. 0228/734837 oder 734836
E-Mail: martin.weitz@uni-bonn.de

Johannes Seiler | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-bonn.de

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