Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Synchron durch die Barriere - Abstoßung hält Atome beim Tunneln zusammen

30.08.2007
Mainzer Quantenphysiker erbringen direkten Nachweis für Paar-Tunnelprozess bei ultrakalten Atomen - Veröffentlichung in Nature

Physiker an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz konnten zum ersten Mal beobachten, wie zwei miteinander stark wechselwirkende Atome gemeinsam durch eine Barriere tunneln. "Die Theorie der Quantenmechanik sagt, dass diese zwei Atome nicht alleine tunneln können, sondern nur zusammen als Paar, obwohl sie sich gegenseitig abstoßen.

In unserem Experiment können wir diesen Prozess jetzt erstmals auch direkt sehen", erläutert Simon Fölling aus der Arbeitsgruppe Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM). Die Gruppe um Univ.-Prof. Dr. Immanuel Bloch untersucht solche Tunnelprozesse anhand von ultrakalten Atomen, die in Lichtgittern gefangen sind. Das Ziel dabei ist, Vorgänge in echten kristallinen Materialien, wie etwa den Magnetismus, besser zu verstehen. Die Beobachtungen und den Nachweis des Atom Co-Tunnelling hat das Wissenschaftsjournal Nature in seiner neuesten Ausgabe publiziert (Nature 448, 1029-1032).

Es gehört zu den Eigenarten der Quantenmechanik, dass Materieteilchen durch eine eigentlich undurchdringliche Schranke nicht gestoppt werden, sondern sie passieren können. Der als "Tunneln" bezeichnete Prozess wird in Mainz mit Hilfe von ultrakalten Quantengasen untersucht, die am absoluten Temperaturnullpunkt bei etwa minus 273 Grad Celsius in einem Lichtgitter festgehalten werden. "Man kann sich das so vorstellen, dass dann in dem Lichtgitter jedes Atom auf einem bestimmten Gitterplatz sitzt wie ein Ei in einem Eierkarton", so Fölling. Nach den Vorstellungen der klassischen Physik würden die Atome auf ihrem jeweiligen Platz unbeweglich festsitzen. Nach den Prinzipien der Quantenmechanik dagegen können sie die Lichtbarriere von einer Seite zur anderen durchlaufen. Um diesen Effekt genauer zu untersuchen, haben die Mainzer Quantenphysiker einen modifizierten "Eierkarton" aus Licht gebaut, bei dem das Tunneln von jedem Platz nur zu genau einem der benachbarten Plätze im Gitter möglich ist. Es entsteht eine "Doppeltopffalle", in der ein einzelnes Atom durch Tunneln zwischen den beiden Plätzen hin- und herwandern kann und dies bis in die Unendlichkeit tun würde, da keine Reibung es bremst.

... mehr zu:
»Atom »Tunnel »Tunnelprozess

Das eigentliche Interesse der Forscher liegt jedoch in der Beobachtung von miteinander wechselwirkenden Atomen. Dazu setzen sie genau zwei Atome, welche sich gegenseitig abstoßen, auf eine Seite eines Doppeltopfes. Je nachdem wie stark diese beiden Atome wechselwirken, gibt es nun zwei Möglichkeiten, wie sie sich verhalten. Im ersten Fall wird das Experiment so angelegt, dass die Abstoßung klein und die Tunnelrate, also die Häufigkeit mit der die Atome von einer Seite der Barriere zur anderen wandern können, hoch ist. Hier zeigt sich, dass die beiden Atome gleichzeitig oder nacheinander von links nach rechts und zurück tunneln.

Im zweiten Fall ist die Wechselwirkung zwischen den beiden Atomen stärker und die Tunnelrate ist kleiner beziehungsweise die Tunnelbarriere höher. "Jetzt passiert etwas Erstaunliches: Zwischen den beiden Atomen herrscht eine starke Abstoßung, und intuitiv würde man erwarten, dass sie sich deshalb einzeln auf den Plätzen links und rechts der Barriere einrichten. Dies wäre auch ihr bevorzugter Zustand. Tatsächlich beobachtet man aber, dass sich die Atome nicht voneinander trennen und nicht einzeln tunneln. Wenn überhaupt, können sie nur gemeinsam die Barriere durchlaufen", erklärt Fölling. Das Phänomen tritt deswegen auf, weil bei einer Trennung des Atompaars Energie frei würde, die jedoch mangels Reibungsverlusten nicht "entsorgt" werden kann. Nach dem Energieerhaltungssatz müssen die beiden daher zusammenbleiben - "repulsively bound pairs" oder "Paar, das durch Abstoßung zusammengehalten wird" tauften Innsbrucker Forscher 2006 eine solche Verbindung.

Dass die beiden sich abstoßenden und doch aneinandergeketteten Atome tatsächlich als Paar tunneln können, haben die Mainzer Experimente jetzt sichtbar gemacht. Ein solcher Vorgang, bei dem das Tunneln einzelner Teilchen nicht möglich ist, das eines Paares hingegen schon, wird "Tunnelprozess zweiter Ordnung" oder "Paartunneln" genannt. Es ist in einer solchen Anordnung sogar möglich, dass ein Atom dazu dient, den Tunnelprozess bei einem anderen Atom auszulösen, also die Funktion eines Schalters für das Tunneln hat - ein Effekt, der für Elektronen bekannt ist und zur Verwendung in der Elektronik erforscht wird. In erster Linie aber dient die Untersuchung komplexer Tunnelprozesse mit Atomen als Modellsystem dazu, das Verhalten von Elektronen in der Kristallstruktur gewöhnlicher Materialien besser zu verstehen: Hier bewirken Tunnelprozesse zweiter Ordnung von Elektronen die gemeinsame Ausrichtung der sogenannten Spins im Material und erzeugen damit in vielen Materialien deren magnetische Eigenschaft.

S. Fölling, S. Trotzky, P. Cheinet, M. Feld, R. Saers, A. Widera, T. Müller and I. Bloch: Direct Observation of Second Order Atom Tunnelling. Nature 448, 1029-1032, 30 August 2007; doi:10.1038/nature06112

Kontakt und Informationen:
Dipl.-Phys. Simon Fölling
Tel. +49 6131 39-25955
Fax +49 6131 39-23428
E-Mail: foelling@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/bec/index.html
http://www.nature.com/nature/journal/v448/n7157/full/nature06112.html

Weitere Berichte zu: Atom Tunnel Tunnelprozess

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht VLT macht den präzisesten Test von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie außerhalb der Milchstraße
22.06.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Neue Phänomene im magnetischen Nanokosmos
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

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: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Im Focus: Revolution der Rohre

Forscher*innen des Instituts für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) der Hochschule Coburg lassen Rohrleitungen, Schläuchen oder Behältern in Zukunft regelrecht Ohren wachsen. Sie entwickelten ein innovatives akustisches Messverfahren, um Ablagerungen in Rohren frühzeitig zu erkennen.

Rückstände in Abflussleitungen führen meist zu unerfreulichen Folgen. Ein besonderes Gefährdungspotential birgt der Biofilm – eine Schleimschicht, in der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

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

Nah dran an der Fiktion: Die Außenhaut für das Raumschiff „Enterprise“?

22.06.2018 | Materialwissenschaften

VLT macht den präzisesten Test von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie außerhalb der Milchstraße

22.06.2018 | Physik Astronomie

Aus-Schalter für Nebenwirkungen

22.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

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