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 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: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

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...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie