Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Welche besonderen Eigenschaften besitzt ein Atomgas?

28.01.2016

Heidelberger Physiker bestimmen Zustandsgleichung – Grundlage für das Verständnis von Supraleitung

Mit einem Laborexperiment ist es Physikern am Zentrum für Quantendynamik der Universität Heidelberg gelungen, die sogenannte Zustandsgleichung für ein Atomgas zu bestimmen. Mit ihr können die thermodynamischen Eigenschaften dieses physikalischen Systems exakt beschrieben werden.


Abb.: Puneet Murthy

In einem Gas aus ultrakalten Lithiumatomen stoßen sich gleichartige Teilchen nach den Regeln der Quantenmechanik ab, während sich unterscheidbare Teilchen anziehen und Moleküle bilden können. Theoretische Physiker um Dr. Tilman Enss konnten nun – basierend auf einem Experiment in der Arbeitsgruppe von Prof. Selim Jochim – die Zustandsgleichung bestimmen. Sie besagt, wie sich je nach Anziehungskraft die Dichte des Quantengases ändert.

Nach Angaben von Privatdozent Dr. Tilman Enss und Prof. Dr. Selim Jochim schafft diese Gleichung die Grundlage für weitere Experimente mit ultrakalten Atomen, die auf ein besseres Verständnis von Mechanismen der Supraleitung, also des verlustfreien Transports von elektrischen Strömen, zielen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

„Jeder kennt den Effekt, dass die Luft dünner wird, wenn man auf einen hohen Berg steigt. In der Physik wird dieser Effekt durch eine Zustandsgleichung beschrieben. Sie bestimmt in diesem Fall, wie sich die Dichte der Luft mit dem Abstand von der Erde ändert“, erläutert Dr. Enss vom Institut für Theoretische Physik.

„Das gleiche Prinzip gilt in vielen Bereichen der Physik – von der Verteilung der Materie im Aufbau der Sterne bis hin zu Atomgasen, die wir neuerdings im Labor herstellen können“, betont Prof. Jochim, der am Physikalischen Institut forscht. Am Zentrum für Quantendynamik haben die Wissenschaftler nun die theoretischen Berechnungen von Tilman Enss und die von Selim Jochim aus Experimenten gewonnenen Erkenntnisse zusammengeführt. Im Mittelpunkt stand dabei ein auf eine Temperatur nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt gekühltes Atomgas.

Diese ultrakalten Atomgase sind für Physiker deshalb so interessant, da bei diesen extrem niedrigen Temperaturen die Effekte der Quantenphysik besonders deutlich zutage treten. Bei einer bestimmten Sorte von Teilchen – den sogenannten Fermionen – können zwei Atome niemals denselben Zustand einnehmen oder sich am selben Ort aufhalten.

„Die Fermionen üben einen Druck auf gleichartige Teilchen aus und schieben sie beiseite, so dass die Dichte in einer Atomwolke nie zu groß wird“, sagt Prof. Jochim, dessen experimentelle Arbeitsgruppe diesen Effekt mit Hilfe von Lithiumatomen beobachten konnte. Der Druck zwischen den Fermionen führt dazu, dass die Atomwolke dünn und weit ausgedehnt ist.

Wissenschaftler in der theoretischen Physik haben sich schon lange mit der Frage beschäftigt, wie sich die Dichte des Gases ändert, wenn zusätzlich eine Anziehungskraft zwischen den Fermionen besteht. Diese wirkt dem Druck der Fermionen entgegen und bringt die Teilchen näher zusammen.

„Bei hinreichender Anziehung bilden jeweils zwei Fermionen ein Paar. Nach den Regeln der Quantenphysik können sich solche Moleküle nun viel näher kommen als die ursprünglichen Fermionen. Wie genau dies für Teilchen geschieht, die sich in einer Ebene bewegen, ist eine wichtige aktuelle Frage“, erklärt Dr. Enss. Die Atomgase sind auch deshalb von großem Interesse für die Forschung, da sie viele universelle Eigenschaften aufweisen, die sich in ganz anderen physikalischen Situationen wiederfinden. So können aus der Zustandsgleichung eines Atomgases zum Beispiel Rückschlüsse über den Aufbau bestimmter Sterne gezogen werden.

Wie die Zustandsgleichung von der Anziehung der Teilchen abhängt, lässt sich im Experiment besonders gut mit ultrakalten Atomen messen. Für sie lässt sich künstlich eine Anziehungskraft von nahezu beliebiger Stärke erzeugen. Prof. Jochim konnte mit seiner Arbeitsgruppe beobachten, dass sich bei starker Anziehung in der Mitte der Atomwolke ein dichterer Kern herausbildet.

Die theoretischen Physiker Dr. Enss und Dr. Igor Boettcher haben nun aus der Analyse der experimentellen Daten die Zustandsgleichung rekonstruiert. Sie konnten damit ihre eigenen theoretischen Vorhersagen bestätigen. Dabei sind die Forscher insbesondere an der Situation interessiert, in der sich die Atome in einer Ebene bewegen.

Das Atomgas weist dann Ähnlichkeit mit geschichteten Materialien auf, die auch bei relativ hoher Temperatur supraleitend sind. Die nun bestimmte Zustandsgleichung ist nach Angaben der Heidelberger Forscher eine Grundlage für künftige Experimente, mit denen die Mechanismen der sogenannten Hochtemperatur-Supraleitung besser verstanden werden sollen.

Für ihre Veröffentlichung in den „Physical Review Letters“ erhielten die Heidelberger Wissenschaftler die „Editors' Suggestion“, die Auszeichnung als Empfehlung der Redaktion. Sie wurde außerdem in einem „Viewpoint“ im Magazin „Physics“ hervorgehoben.

Originalpublikation:
I. Boettcher, L. Bayha, D. Kedar, P. A. Murthy, M. Neidig, M. G. Ries, A. N. Wenz, G. Zürn, S. Jochim, and T. Enss: Equation of state of ultracold fermions in the 2D BEC-BCS crossover region, Physical Review Letters (published online on 27 November 2016), doi: 10.1103/ PhysRevLett.116.045303

Kontakt:
Privatdozent Dr. Tilman Enss
Institut für Theoretische Physik
Tel. +49 6221 54-9337
enss@thphys.uni-heidelberg.de

Kommunikation und Marketing
Pressestelle
Tel. +49 6221 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Marietta Fuhrmann-Koch | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-heidelberg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Bereit für neue Turbulenzen
01.03.2017 | Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

nachricht Am Rand der Galaxie
01.03.2017 | 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: Forscher ahmen molekulares Gedränge nach

Enzyme verhalten sich im geräumigen Reagenzglas anders als im molekularen Gedränge einer lebenden Zelle. Chemiker der Universität Basel konnten diese engen Bedingungen nun erstmals in künstlichen Vesikeln naturgetreu simulieren. Die Erkenntnisse helfen der Weiterentwicklung von Nanoreaktoren und künstlichen Organellen, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Small».

Enzyme verhalten sich im geräumigen Reagenzglas anders als im molekularen Gedränge einer lebenden Zelle. Chemiker der Universität Basel konnten diese engen...

Im Focus: Researchers Imitate Molecular Crowding in Cells

Enzymes behave differently in a test tube compared with the molecular scrum of a living cell. Chemists from the University of Basel have now been able to simulate these confined natural conditions in artificial vesicles for the first time. As reported in the academic journal Small, the results are offering better insight into the development of nanoreactors and artificial organelles.

Enzymes behave differently in a test tube compared with the molecular scrum of a living cell. Chemists from the University of Basel have now been able to...

Im Focus: Mit Künstlicher Intelligenz das Gehirn verstehen

Wie entsteht Bewusstsein? Die Antwort auf diese Frage, so vermuten Forscher, steckt in den Verbindungen zwischen den Nervenzellen. Leider ist jedoch kaum etwas über den Schaltplan des Gehirns bekannt.

Wie entsteht Bewusstsein? Die Antwort auf diese Frage, so vermuten Forscher, steckt in den Verbindungen zwischen den Nervenzellen. Leider ist jedoch kaum etwas...

Im Focus: Wie Proteine Zellmembranen verformen

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor Oliver Daumke vom MDC erforscht. Er und sein Team haben nun aufgeklärt, wie sich diese Proteine auf der Oberfläche von Zellen zusammenlagern und dadurch deren Außenhaut verformen.

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor...

Im Focus: Safe glide at total engine failure with ELA-inside

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded after a glide flight with an Airbus A320 in ditching on the Hudson River. All 155 people on board were saved.

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

„Microbiology and Infection“ – deutschlandweit größte Fachkonferenz 5.-8. März in Würzburg

01.03.2017 | Veranstaltungen

Nebennierentumoren: Radioaktiv markierte Substanzen vermeiden unnötige Operationen

28.02.2017 | Veranstaltungen

350 Onlineforscher_innen treffen sich zur Fachkonferenz General Online Research an der HTW Berlin

28.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Microbiology and Infection“ – deutschlandweit größte Fachkonferenz 5.-8. März in Würzburg

01.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

CeBIT 2017: Automatisiertes Fahren: Sicheres Navigieren im Baustellenbereich

01.03.2017 | CeBIT 2017

Hybrid-Speicher mit Marktpotenzial: Batterie-Produktion goes Industrie 4.0

01.03.2017 | Energie und Elektrotechnik