Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Skalierungsverhalten exotischer Riesenmoleküle: Universelle Dreierbeziehung

18.07.2014

Heidelberger Physikern gelingt der Nachweis des Skalierungsverhaltens exotischer Riesenmoleküle

Wenn aus einer Zweier- eine Dreierbeziehung wird, verändert sich das Verhalten des Systems – es wird in der Regel komplexer.


Schematische Darstellung von Efimov-Trimeren, die aus zwei Cäsium- und einem Lithium-Atom gebildet werden. Während der Trimer im Grundzustand mikroskopische Ausmaße hat, ist der zweite angeregte Bindungszustand bereits nahezu ein Mikrometer groß. Die Größe der Trimere skaliert nach einem universellen Skalierungsgesetz. Diese Trimerzustände wurden in einem Gemisch von Lithium- und Cäsium-Atomen bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts der Temperatur beobachtet.

Abbildungsnachweis: Juris Ulmanis

Während die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von zwei wechselwirkenden Teilchen gut verstanden sind, nimmt der mathematische Aufwand bei der Beschreibung von Drei- und Mehrteilchensystemen enorm zu, wobei die Berechnung der Dynamik sogar die Kapazitäten moderner Supercomputer sprengen kann. Das quantenmechanische Dreikörperproblem weist jedoch unter gewissen Bedingungen eine universell skalierende Lösung auf.

Die Vorhersagen eines solchen Modells konnten jetzt Physiker der Universität Heidelberg experimentell bestätigen. Dazu haben die Forscher um Prof. Dr. Matthias Weidemüller molekulare Dreierverbindungen, sogenannte Trimere, unter exotischen Bedingungen untersucht. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Die Heidelberger Forschungsarbeiten basieren auf einer Theorie, die der russische Physiker Vitaly Efimov vor mehr als 40 Jahren formuliert hat. Im Mittelpunkt steht dabei die Suche nach physikalischen Gesetzen, die das Verhalten und die Zustände beliebig vieler Teilchen vorhersagen.

Nach Efimovs Vorhersage lassen sich die Bindungszustände von drei Atomen unter bestimmten Voraussetzungen allgemeingültig beschreiben. Der Wissenschaftler fand unter anderem heraus, dass unendlich viele quantenmechanische Bindungszustände für die „ménage à trois“ existieren, selbst wenn je zwei der Atome keinerlei Bindung eingehen können.

Die sogenannten Efimov-Trimere entstehen aufgrund quantenmechanischer Wechselwirkung mit einer langen Reichweite; sie sind völlig unabhängig von der jeweiligen Natur der drei wechselwirkenden Teilchen.

Nach den Worten von Prof. Weidemüller galt Efimovs Vorhersage lange als „exotisch“, da die Bedingungen, unter denen derartige molekulare Dreierverbindungen existieren, für die Forschung unerreichbar schienen. „Physiker aus unterschiedlichen Forschungsrichtungen haben lange vergeblich versucht, Signaturen von Efimov-Trimeren zu finden“, erläutert der Heidelberger Wissenschaftler.

Erst vor knapp zehn Jahren glückte Forschern in Innsbruck der eindeutige Nachweis dieser Trimere in Systemen, die aus drei identischen Atomen bestehen. Kurz darauf gelang es Physikern um Prof. Dr. Selim Jochim in Heidelberg, den ersten Bindungszustand der Efimov-Trimere genau zu vermessen.

Im Rahmen der Forschungsarbeiten am Zentrum für Quantendynamik und am Physikalischen Institut der Universität Heidelberg wurden nun weitere Eigenschaften der exotischen Efimov-Trimere untersucht. Dazu haben die Forscher ein Gas aus zwei unterschiedlichen Arten von Atomen – Cäsium und Lithium – auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt, wobei sie gleichzeitig für eine präzise Kontrolle der Wechselwirkung dieser Lithium-Cäsium-Paare sorgten.

Die Atome wurden in einer Ultrahochvakuumkammer allein durch Laserlicht gekühlt und über mehrere Sekunden durch Lichtkräfte in einem fokussierten Laserstrahl gespeichert. Die Stärke, mit der die Atome aneinander koppeln, kann dann durch Variation des Magnetfelds eingestellt werden. Dazu nutzte das Team um Prof. Weidemüller sogenannte atomare Streuresonanzen.

Der Nachweis der Trimere basiert auf dem Zerfall in ihre drei Bestandteile bei wohldefinierten Kopplungsstärken. Dabei skaliert die Stärke dieser Kopplung nach einem von der jeweiligen Dreierverbindung unabhängigen, rein numerischen Skalenfaktor. „Wir haben den Nachweis geführt, dass die universelle Skalierung auch bei Systemen unterschiedlicher Atome zu finden ist“, sagt Rico Pires, der im Team von Prof. Weidemüller an seiner Dissertation arbeitet.

Den Wissenschaftlern ist es außerdem gelungen, die vorhergesagte Änderung des Skalierungsfaktors für einen Trimer mit unterschiedlichen Teilchen gegenüber einer Dreierverbindung aus identischen Atomen zu bestätigen, wie Doktorand Juris Ulmanis erläutert. Sie haben damit gezeigt, dass sich Efimovs Theorie auf eine Vielzahl von Systemen anwenden lässt. Auf einen weiteren Erfolg der experimentellen Forschungsarbeiten verweist Projektleiterin Dr. Eva Kuhnle: „Erstmals konnten wir nicht nur den Grundzustand, sondern auch die ersten beiden angeregten Trimerzustände nachweisen. Diese Moleküle aus drei Atomen erreichen dann makroskopische Ausdehnungen, vergleichbar mit der Größe eines Bakteriums.“

Wie Prof. Weidemüller betont, sind die Forschungsergebnisse für viele Bereiche der Physik – von der Atom- bis zur Kernphysik – von Bedeutung: „Interessant ist nicht allein der Nachweis des universellen Skalierungsverhaltens, sondern auch die genaue Vermessung kleinster Abweichungen davon. Dadurch gewinnen wir neue Erkenntnisse, wie Efimovs Theorie auf realistische Dreikörpersysteme angewendet werden kann“, erklärt der Heidelberger Wissenschaftler. „Unser Ziel ist ein vertieftes Verständnis von quantenmechanischen Vielteilchensystemen, einem der wichtigsten, aber auch schwierigsten Gebiete der modernen Physik.“

Originalpublikation:
R. Pires, J. Ulmanis, S. Häfner, M. Repp, A. Arias, E. D. Kuhnle and M. Weidemüller: Observation of Efimov Resonances in a Mixture with Extreme Mass Imbalance. Phys. Rev. Lett. 112, 250404 (published 25 June 2014), doi: 10.1103/PhysRevLett.112.250404

Informationen im Internet:
http://www.physi.uni-heidelberg.de/Forschung/QD

Kontakt:
Prof. Dr. Matthias Weidemüller
Physikalisches Institut
Telefon (06221) 54-19471
weidemueller@uni-heidelberg.de

Kommunikation und Marketing
Pressestelle, Telefon (06221) 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Marietta Fuhrmann-Koch | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau
17.11.2017 | Universität Ulm

nachricht Zwei verdächtigte Sterne unschuldig an mysteriösem Antiteilchen-Überschuss
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

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: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte