Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Atome beim Platzwechsel erwischt

21.12.2007
Mainzer Forscher beobachten grundlegenden Effekt des Quantenmagnetismus mit ultrakalten Atomen - Publikation in Science

Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, in Kollaboration mit Wissenschaftlern aus Harvard und Boston, ist es in einem Experiment mit ultrakalten Atomen gelungen, fundamentale Mechanismen des Quantenmagnetismus im Labor direkt zu beobachten und zu beeinflussen.

"Wir haben mit zwei gekoppelten Atomen eine kontrollierbare magnetische Wechselwirkung realisiert, wie sie auch in den Muttersubstanzen vieler Hochtemperatursupraleiter auftritt, also in Materialien, die gerade hoch aktuell sind", erklärt Stefan Trotzky aus der Arbeitsgruppe Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM). Die Gruppe um Prof. Dr. Immanuel Bloch untersucht die Wechselwirkung zwischen kleinsten Teilchen mithilfe ultrakalter Atome, die in Lichtgittern gefangen sind.

Die Arbeit über diese quantenphysikalischen Austauschmechanismen wurde in einer Vorabveröffentlichung für besondere wissenschaftliche Highlights des Wissenschaftsmagazins Science in Science Express am 20. Dezember 2007 online publiziert. Die dabei untersuchten Prozesse sind nicht nur für das Verständnis neuer Werkstoffe mit speziellen magnetischen und elektrischen Eigenschaften von großer Bedeutung, sondern bilden auch die Basis für chemische Bindungen in Molekülen. Darüber hinaus können sie ein wichtiger Baustein für einen Quantencomputer mit ultrakalten Atomen sein, der die Leistungsfähigkeit eines konventionellen Computers um ein Vielfaches übertreffen würde.

... mehr zu:
»Atom »Spin

Die Physiker kühlen in ihrem Experiment Atome bis nahe an den absoluten Nullpunkt auf eine Temperatur von etwa minus 273 Grad ab und halten sie dann durch ein optisches Gitter in einem "Kristall aus Licht" auf vorgeschriebenen Plätzen fest. Die Atome sitzen dort anschaulich wie Eier in einem Eierkarton. Die Besonderheit des Mainzer Experiments ist dabei, dass sich die Atome von einem bestimmten Gitterplatz aus nur zu einem einzigen benachbarten Platz und von dort wieder zurück bewegen können. Dadurch entstehen Tausende von paarweise gekoppelten Gitterplätzen, in denen sich die Dynamik weniger miteinander wechselwirkender Atome im Detail untersuchen lässt.

"In diesen Doppeltöpfen ist es uns nun gelungen, den Austausch zweier Atome mit unterschiedlichem Spin auf benachbarten Plätzen direkt zu beobachten und zu kontrollieren", so Trotzky. Unter dem Spin eines Teilchens wird eine Art Eigendrehung verstanden, die unter anderem dem Magnetismus in Festkörpern zugrunde liegt. Die Wissenschaftler haben jeweils ein Atom mit nach oben gerichtetem und eines mit nach unten gerichtetem Spin auf benachbarte Gitterplätze gesetzt. Das Durchdringen der zwischen ihnen liegenden Schranke ist dabei nach den Regeln der klassischen Physik nicht möglich - erst die Eigenart der Quantenmechanik erlaubt diesen Vorgang in Form eines Hüpf- oder Tunnelprozesses. So kommt es, dass die beiden Atome dazu in der Lage sind, ihren Platz zu tauschen. Dies lässt sich direkt beobachten, da die jeweiligen Atome sich in der Ausrichtung ihres Spins unterscheiden.

Stoßen sich die beiden Teilchen stark ab, so wird man sie niemals zusammen auf einer Seite des Doppeltopfes finden, da dieser Zustand aufgrund der Energieerhaltung nicht erlaubt ist. Allerdings beobachtet man einen Austausch der beiden Atome: War zunächst das Atom mit nach oben gerichtetem Spin auf der linken Seite zu finden, so wird es nach einer bestimmten Zeit rechts auftauchen, während das andere Atom mit entgegengerichtetem Spin von rechts nach links gewandert ist. Die Grundlage für diesen Vorgang ist ein synchroner Hüpfprozess der beiden Teilchen oder formal ein Tunnelprozess zweiter Ordnung. Bereits im Sommer war es den Mainzer Wissenschaftlern gelungen, einen ähnlichen Tunnelprozess, bei dem zwei Teilchen trotz starker Abstoßung eine Schranke nur gemeinsam überwinden, erstmals mit ultrakalten Atomen direkt zu beobachten. Hier durchqueren nun beide Atome in entgegengesetzter Richtung simultan die Barriere. Die Austauschrate, also die Häufigkeit mit der die beiden ihren Platz tauschen, hängt dabei von der Höhe der Barriere und der Stärke der Abstoßung der Atome ab. Beide Größen lassen sich im Experiment über einen weiten Bereich mit großer Genauigkeit einstellen.

Der Platzwechsel der beiden Atome mit unterschiedlichem Spin lässt sich physikalisch als eine Wechselwirkung zwischen den Spins beschreiben. Bemerkenswert ist dabei, dass kein direkter Kontakt zwischen den zwei Atomen benötigt wird. Allein die Form des Doppeltopfes, in dem die beiden Teilchen gefangen sind, bestimmt die Art der Wechselwirkung und damit die magnetischen Eigenschaften der Festkörperminiatur. Die im Experiment gezeigte Möglichkeit, die magnetische Natur des Systems kontrolliert zu verändern, ist dabei einzigartig. In Zukunft wollen die Forscher diese Eigenschaften des Systems nutzen, um exotische Vielteilchenzustände zu erzeugen, von denen einige Ausgangspunkte für neuartige Methoden des Quantenrechnens sein können.

S. Trotzky, P. Cheinet, S. Fölling, M. Feld, U. Schnorrberger, A.M. Rey, A. Polkovnikov, E.A. Demler, M.D. Lukin and I. Bloch: Time-resolved Observation and Control of Superexchange Interactions with Ultracold Atoms in Optical Lattices. Science Express, 20. Dezember 2007, DOI: 10.1126/science.1150841

Kontakt und Informationen:
Dipl.-Phys. Stefan Trotzky
Tel. +49 6131 39-25955
Fax +49 6131 39-23428
E-Mail: trotzky@uni-mainz.de
Univ.-Prof. Dr. Immanuel Bloch
Tel. +49 6131 39-26234
Fax +49 6131 39-25179
E-Mail: bloch@uni-mainz.de
Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Petra Giegerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.quantum.physik.uni-mainz.de/
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/1150841

Weitere Berichte zu: Atom Spin

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Hochgeladenes Ion bahnt den Weg zu neuer Physik
11.12.2019 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Vom Staubkorn zum Planeten – Rätsel um Kollisionsbarriere gelöst
11.12.2019 | 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: Cheers! Maxwell's electromagnetism extended to smaller scales

More than one hundred and fifty years have passed since the publication of James Clerk Maxwell's "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" (1865). What would our lives be without this publication?

It is difficult to imagine, as this treatise revolutionized our fundamental understanding of electric fields, magnetic fields, and light. The twenty original...

Im Focus: Hochgeladenes Ion bahnt den Weg zu neuer Physik

In einer experimentell-theoretischen Gemeinschaftsarbeit hat am Heidelberger MPI für Kernphysik ein internationales Physiker-Team erstmals eine Orbitalkreuzung im hochgeladenen Ion Pr9+ nachgewiesen. Mittels einer Elektronenstrahl-Ionenfalle haben sie optische Spektren aufgenommen und anhand von Atomstrukturrechnungen analysiert. Ein hierfür erwarteter Übergang von nHz-Breite wurde identifiziert und seine Energie mit hoher Präzision bestimmt. Die Theorie sagt für diese „Uhrenlinie“ eine sehr große Empfindlichkeit auf neue Physik und zugleich eine extrem geringe Anfälligkeit gegenüber externen Störungen voraus, was sie zu einem einzigartigen Kandidaten zukünftiger Präzisionsstudien macht.

Laserspektroskopie neutraler Atome und einfach geladener Ionen hat während der vergangenen Jahrzehnte Dank einer Serie technologischer Fortschritte eine...

Im Focus: Highly charged ion paves the way towards new physics

In a joint experimental and theoretical work performed at the Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics, an international team of physicists detected for the first time an orbital crossing in the highly charged ion Pr⁹⁺. Optical spectra were recorded employing an electron beam ion trap and analysed with the aid of atomic structure calculations. A proposed nHz-wide transition has been identified and its energy was determined with high precision. Theory predicts a very high sensitivity to new physics and extremely low susceptibility to external perturbations for this “clock line” making it a unique candidate for proposed precision studies.

Laser spectroscopy of neutral atoms and singly charged ions has reached astonishing precision by merit of a chain of technological advances during the past...

Im Focus: Ultrafast stimulated emission microscopy of single nanocrystals in Science

The ability to investigate the dynamics of single particle at the nano-scale and femtosecond level remained an unfathomed dream for years. It was not until the dawn of the 21st century that nanotechnology and femtoscience gradually merged together and the first ultrafast microscopy of individual quantum dots (QDs) and molecules was accomplished.

Ultrafast microscopy studies entirely rely on detecting nanoparticles or single molecules with luminescence techniques, which require efficient emitters to...

Im Focus: Wie Graphen-Nanostrukturen magnetisch werden

Graphen, eine zweidimensionale Struktur aus Kohlenstoff, ist ein Material mit hervorragenden mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften. Doch für magnetische Anwendungen schien es bislang nicht nutzbar. Forschern der Empa ist es gemeinsam mit internationalen Partnern nun gelungen, ein in den 1970er Jahren vorhergesagtes Molekül zu synthetisieren, welches beweist, dass Graphen-Nanostrukturen in ganz bestimmten Formen magnetische Eigenschaften aufweisen, die künftige spintronische Anwendungen erlauben könnten. Die Ergebnisse sind eben im renommierten Fachmagazin Nature Nanotechnology erschienen.

Graphen-Nanostrukturen (auch Nanographene genannt) können, je nach Form und Ausrichtung der Ränder, ganz unterschiedliche Eigenschaften besitzen - zum Beispiel...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Analyse internationaler Finanzmärkte

10.12.2019 | Veranstaltungen

QURATOR 2020 – weltweit erste Konferenz für Kuratierungstechnologien

04.12.2019 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Arbeit

03.12.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neue Hefe-Spezies in Braunschweig entdeckt

12.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

Humane Papillomviren programmieren ihre Wirtszellen um und begünstigen so die Hautkrebsentstehung

12.12.2019 | Medizin Gesundheit

Urbane Gärten: Wie Agrarschädlinge von Städten profitieren

12.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics