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 Ultra-sensitiv dank quantenmechanischer Verschränkung
28.06.2017 | Universität Stuttgart

nachricht Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit
26.06.2017 | Universität Bremen

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: Schnelles und umweltschonendes Laserstrukturieren von Werkzeugen zur Folienherstellung

Kosteneffizienz und hohe Produktivität ohne dabei die Umwelt zu belasten: Im EU-Projekt »PoLaRoll« entwickelt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen gemeinsam mit dem Oberhausener Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheit- und Energietechnik UMSICHT und sechs Industriepartnern ein Modul zur direkten Laser-Mikrostrukturierung in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Ziel ist es, mit Hilfe dieses Systems eine siebartige Metallfolie als Demonstrator zu fertigen, die zum Sonnenschutz von Glasfassaden verwendet wird: Durch ihre besondere Geometrie wird die Sonneneinstrahlung reduziert, woraus sich ein verminderter Energieaufwand für Kühlung und Belüftung ergibt.

Das Fraunhofer IPT ist im Projekt »PoLaRoll« für die Prozessentwicklung der Laserstrukturierung sowie für die Mess- und Systemtechnik zuständig. Von den...

Im Focus: Das Auto lernt vorauszudenken

Ein neues Christian Doppler Labor an der TU Wien beschäftigt sich mit der Regelung und Überwachung von Antriebssystemen – mit Unterstützung des Wissenschaftsministeriums und von AVL List.

Wer ein Auto fährt, trifft ständig Entscheidungen: Man gibt Gas, bremst und dreht am Lenkrad. Doch zusätzlich muss auch das Fahrzeug selbst ununterbrochen...

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Marine Pilze – hervorragende Quellen für neue marine Wirkstoffe?

28.06.2017 | Veranstaltungen

Willkommen an Bord!

28.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

EUROSTARS-Projekt gestartet - mHealth-Lösung: time4you Forschungs- und Entwicklungspartner bei IMPACHS

28.06.2017 | Unternehmensmeldung

Proteine entdecken, zählen, katalogisieren

28.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Scheinwerfer-Dimension: Volladaptive Lichtverteilung in Echtzeit

28.06.2017 | Automotive