Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wissenschaftler machen Eisen durchsichtig

09.02.2012
Erstmals gezeigt, dass Atomkerne transparent werden
Einem Team von DESY-Wissenschaftlern um Dr. Ralf Röhlsberger gelang es an der hochbrillanten Synchrotronlichtquelle PETRA III, Atomkerne mit Hilfe von Röntgenlicht transparent zu machen. Sie entdeckten dabei gleichzeitig ein neues Prinzip, um einen optisch gesteuerten Schalter für Licht herzustellen, also Licht mit Licht zu beeinflussen, ein wichtiger Baustein auf dem Weg zu leistungsfähigen Quantencomputern. Die Forschungsergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsjournals „Nature“ (DOI: 10.1038/nature10741) präsentiert.

Der Effekt der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) ist aus der Laserphysik bekannt. Durch die Einstrahlung von intensivem Laserlicht kann man ein normalerweise undurchsichtiges Material für Licht einer bestimmten Wellenlänge transparent machen. Dieser Effekt entsteht durch ein komplexes Wechselspiel des Lichtes mit der Elektronenhülle der Atome. Die Helmholtz-Forscher um Röhlsberger wiesen jetzt erstmals an der Röntgenquelle PETRA III bei DESY nach, dass es so einen Transparenzeffekt auch für Röntgenlicht gibt, hier hervorgerufen durch die Anregung von Atomkernen des Mössbauer-Isotops Eisen-57 (welches zu 2% im natürlichen Eisen enthalten ist). Im Gegensatz zu herkömmlichen Experimenten brauchten sie dafür nur sehr geringe Lichtintensitäten.

Wie funktioniert das Experiment? Die Forscher platzierten für ihre Experimente zwei dünne Schichten von Eisen-57 Atomen in einem optischen Resonator, einer Anordnung zweier paralleler Platinspiegel, zwischen denen Röntgenlicht mehrfach hin und her reflektiert wird. Die beiden jeweils etwa drei Nanometer dicken Schichten von Eisen-57-Atomen wurden zwischen den beiden Platinspiegeln durch Kohlenstoff, der für Röntgenlicht der verwendeten Energie durchlässig ist, präzise in Position gehalten. Das so hergestellte Sandwich aus dünnen Schichten, das nur rund 50 Nanometer dick ist, beleuchteten die Forscher unter sehr kleinen Einfallswinkeln mit einem äußerst dünnen Röntgenstrahl der Synchrotronlichtquelle PETRA III. Das Licht wird innerhalb dieses Spiegelsystems etliche Male hin- und her reflektiert und bildet eine stehende Welle, eine sogenannte Resonanz. Stehen die Wellenlänge des Lichts und die Abstände der beiden Eisenschichten in diesem optischen Resonator im richtigen Verhältnis zueinander, können die Forscher beobachten, dass das Eisen für das Röntgenlicht fast vollständig durchsichtig wird. Dafür muss eine Eisenschicht genau im Minimum (Knoten) der Lichtresonanz liegen, die zweite genau im Maximum. Verschiebt man die Schichten innerhalb des Resonators, wird das System sofort wieder undurchsichtig. Die Forscher machen für diese Beobachtung einen quantenoptischen Effekt verantwortlich, der durch das Zusammenspiel der Atome in den Eisenschichten hervorgerufen wird. Anders als bei einzelnen Atomen absorbieren und strahlen hier die Atome einer Schicht gemeinsam im Ensemble.
Die Schwingungen der Eisenatome in den beiden Schichten kompensieren sich dabei gegenseitig, so dass das eingestrahlte Licht ungehindert passieren kann: Das Eisen erscheint durchsichtig. Im Gegensatz zu bisherigen Experimenten sind nur wenige Lichtquanten erforderlich, um diesen Effekt hervorzubringen.
„Unsere Transparenz von Atomkernen ist quasi der EIT-Effekt im Atomkern“, erläutert Röhlsberger die Experimente. „Der Weg zum Lichtquanten-Computer ist sicherlich noch sehr weit. Aber mit dem Effekt ermöglichen wir eine ganz neue Klasse von quantenoptischen Experimenten höchster Empfindlichkeit. Mit dem gerade hier in Hamburg entstehenden Röntgenlaser European XFEL sollte es dann tatsächlich möglich sein, Röntgenlicht mit Röntgenlicht zu steuern.“

Doch auch das Quanten-Computing ist durch dieses Experiment einen deutlichen technischen Schritt vorangekommen: Neben der prinzipiellen Möglichkeit, Material mit Hilfe von Licht transparent zu machen, ist für eine spätere technische Umsetzung auch die Intensität des Lichts entscheidend. Jedes zusätzliche Lichtquant im Computer bedeutet zusätzliche Abwärme, die durch die Nutzung des jetzt entdeckten Effekts minimiert würde.

Zur Weiterführung der Experimente und optimalen Ausnutzung der winzigen Röntgenstrahlgröße der hochbrillanten Röntgenquelle PETRA III wird bei DESY zurzeit eine neue Beschichtungsanlage zur Herstellung und Optimierung dieser Art optischer Resonatoren installiert.

In den Experimenten der DESY-Wissenschaftler zeigte sich außerdem eine weitere Parallele zum EIT-Effekt: Das im optischen Resonator gefangene Licht breitet sich nur noch mit einer Geschwindigkeit von wenigen Metern pro Sekunde aus – normalerweise sind es knapp 300 000 Kilometer pro Sekunde. Wie langsam das Licht in diesem Fall wirklich wird, und ob man diesen Effekt ebenfalls wissenschaftlich nutzen kann, wollen die Forscher in Folgeexperimenten klären. Eine mögliche Anwendung und gleichzeitig ein wichtiger Baustein auf dem Weg zum optischen Quantencomputer ist beispielsweise die Speicherung von Informationen in Form extrem langsamer oder gar gestoppter Lichtpulse.

Dr. Thomas Zoufal | idw
Weitere Informationen:
http://www.desy.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

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: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie