Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Das Atom ohne Eigenschaften

22.04.2016

Die Welt der kleinsten Teilchen folgt den Regeln der Quantenmechanik. Sie lassen es zu, dass die Eigenschaften eines Teilchens völlig unbestimmt und dennoch stark mit denen anderer Teilchen verknüpft sind. Ein Team von theoretischen und experimentellen Physikern der Universität Basel hat diese sogenannten Bell-Korrelationen erstmals zwischen mehreren Hundert Atomen beobachtet. Das berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Science».

Gewöhnliche Gegenstände besitzen ihre Eigenschaften unabhängig voneinander und unabhängig davon, ob wir sie beobachten oder nicht. Einsteins berühmte Frage, ob der Mond auch da sei, wenn niemand hinschaue, beantworten wir mit einem sicheren Ja. In der Welt der kleinsten Teilchen gelten diese scheinbaren Gewissheiten nicht. Der Aufenthaltsort, die Geschwindigkeit oder die Orientierung des magnetischen Moments eines Atoms kann völlig unbestimmt sein und dennoch stark von Messungen an anderen, auch weit entfernten Atomen abhängen.


Mithilfe eines Mikrochips wird eine Wolke von ultrakalten Atomen gefangen und ihre magnetischen Momente miteinander verschränkt.

Illustration: Universität Basel, Departement Physik

Experimenteller Test von Bell-Korrelationen

Unter der (falschen) Annahme, dass die Atome ihre Eigenschaften jeweils unabhängig von der Messung und unabhängig voneinander besitzen, lässt sich eine sogenannte Bell-Ungleichung aufstellen. Wird sie durch die Resultate eines Experiments verletzt, folgt daraus, dass die Eigenschaften der Atome voneinander abhängen müssen. Man spricht dann von Bell-Korrelationen zwischen den Atomen. Diese haben auch zur Folge, dass jedes einzelne Atom seine Eigenschaften erst im Moment der Messung erhält – vor der Messung sind diese Eigenschaften nicht nur unbekannt, sondern sie existieren gar nicht.

Forscher um die Professoren Nicolas Sangouard und Philipp Treutlein von der Universität Basel haben zusammen mit Kollegen aus Singapur solche Bell-Korrelationen nun erstmals in relativ grossen Systemen beobachtet, nämlich zwischen 480 Atomen eines Bose-Einstein-Kondensats. Frühere Experimente konnten Bell-Korrelationen mit höchstens 4 Lichtteilchen oder 14 Atomen nachweisen. Ihr Resultat bedeutet, dass die seltsamen Quanteneffekte auch in grossen Systemen eine Rolle spielen können.

Grosse Anzahl miteinander wechselwirkender Teilchen

Um Bell-Korrelationen in einem Vielteilchensystem nachzuweisen, mussten die Forscher zunächst eine neue Methode entwickeln, die ohne eine Messung jedes einzelnen Teilchens auskommt, was jenseits der heutigen Möglichkeiten läge. Dies gelang ihnen mithilfe einer erst seit Kurzem bekannten Bell-Ungleichung. Ihre Methode konnten die Basler Forscher direkt im Labor an kleinen Wolken aus ultrakalten Atomen ausprobieren, die durch Laserlicht auf wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Darin stossen die Atome ständig zusammen, sodass sich ihre magnetischen Momente langsam miteinander verschränken. Wenn diese Verschränkung ein gewisses Mass erreicht hat, lassen sich Bell-Korrelationen nachweisen. Autor Roman Schmied erklärt: «Man würde erwarten, dass zufällige Stösse bloss Unordnung verursachen. Doch dadurch werden die quantenmechanischen Eigenschaften der Atome so stark miteinander verknüpft, dass sie die klassische Statistik verletzen.»

Konkret wird zuerst jedes der Atome in eine quantenmechanische Überlagerung zweier Zustände gebracht. Nachdem die Atome dann durch Stösse miteinander verschränkt wurden, zählen die Forscher, wie viele der Atome nun tatsächlich in jedem der beiden Zustände sind. Diese Aufteilung schwankt von Versuch zu Versuch zufällig. Wenn nun diese Schwankungen unter eine bestimmte Schwelle fallen, scheint es, als ob die Atome miteinander eine «Abmachung» getroffen hätten, wie das Messergebnis auszufallen habe; diese Abmachung beschreibt genau die Bell-Korrelationen.

Wissenschaftliches Neuland

Die vorgestellte Arbeit, die im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts Quantenwissenschaften und -technologie (NCCR QSIT) gefördert wurde, könnte neue Möglichkeiten in der Quantentechnologie erschliessen, etwa um Zufallszahlen zu erzeugen oder um Daten abhörsicher zu übertragen. Ausserdem öffnen sich neue Perspektiven für die Grundlagenforschung: «Bell-Korrelationen in Vielteilchensystemen sind ein weitgehend unerforschtes Gebiet und es ist noch nicht absehbar, was sich alles daraus entwickeln wird – wir betreten mit unseren Experimenten Neuland», so Prof. Philipp Treutlein.

Originalbeitrag
Roman Schmied, Jean-Daniel Bancal, Baptiste Allard, Matteo Fadel, Valerio Scarani, Philipp Treutlein, Nicolas Sangouard
Bell Correlations in a Bose-Einstein Condensate
Science (2016), doi: 10.1126/science.aad8665

Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Nicolas Sangouard, Universität Basel, Departement Physik, Theoretische Quantenoptik, Tel. +41 61 267 39 15, E-Mail: nicolas.sangouard@unibas.ch
Prof. Dr. Philipp Treutlein, Universität Basel, Departement Physik, Experimentalphysik, Tel. +41 61 267 37 66, E-Mail: philipp.treutlein@unibas.ch

Weitere Informationen:

https://www.unibas.ch/de/Aktuell/News/Uni-Research/Das-Atom-ohne-Eigenschaften.h...

Reto Caluori | Universität Basel

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Zwei erdähnliche Planeten um einen der kleinsten Sterne – und die Möglichkeit, von dort aus die Erde nachzuweisen
18.06.2019 | Max-Planck-Institut für Astronomie

nachricht Stabilität und Mobilität: Zwei Flüssigkeiten sind der Schlüssel
17.06.2019 | Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

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: Additive Fertigung zur Herstellung von Triebwerkskomponenten für die Luftfahrt

Globalisierung und Klimawandel sind zwei der großen Herausforderungen für die Luftfahrt. Der »European Flightpath 2050 – Europe’s Vision for Aviation« der Europäischen Kommission für Forschung und Innovation sieht für Europa eine Vorreiterrolle bei der Vereinbarkeit einer angemessenen Mobilität der Fluggäste, Sicherheit und Umweltschutz vor. Dazu müssen sich Design, Fertigung und Systemintegration weiterentwickeln. Einen vielversprechenden Ansatz bietet eine wissenschaftliche Kooperation in Aachen.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT und der Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen entwickeln zurzeit eine...

Im Focus: Die verborgene Struktur des Periodensystems

Die bekannte Darstellung der chemischen Elemente ist nur ein Beispiel, wie sich Objekte ordnen und klassifizieren lassen.

Das Periodensystem der Elemente, das die meisten Chemiebücher abbilden, ist ein Spezialfall. Denn bei dieser tabellarischen Übersicht der chemischen Elemente,...

Im Focus: The hidden structure of the periodic system

The well-known representation of chemical elements is just one example of how objects can be arranged and classified

The periodic table of elements that most chemistry books depict is only one special case. This tabular overview of the chemical elements, which goes back to...

Im Focus: MPSD-Team entdeckt lichtinduzierte Ferroelektrizität in Strontiumtitanat

Mit Licht lassen sich Materialeigenschaften nicht nur messen, sondern auch verändern. Besonders interessant sind dabei Fälle, in denen eine fundamentale Eigenschaft eines Materials verändert werden kann, wie z.B. die Fähigkeit, Strom zu leiten oder Informationen in einem magnetischen Zustand zu speichern. Ein Team um Andrea Cavalleri vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg, hat nun Lichtimpulse aus dem Terahertz-Frequenzspektrum benutzt, um ein nicht-ferroelektrisches Material in ein ferroelektrisches umzuwandeln.

Ferroelektrizität ist ein Zustand, in dem die Atome im Kristallgitter eine bestimmte Richtung "aufzeigen" und dadurch eine makroskopische elektrische...

Im Focus: MPSD team discovers light-induced ferroelectricity in strontium titanate

Light can be used not only to measure materials’ properties, but also to change them. Especially interesting are those cases in which the function of a material can be modified, such as its ability to conduct electricity or to store information in its magnetic state. A team led by Andrea Cavalleri from the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg used terahertz frequency light pulses to transform a non-ferroelectric material into a ferroelectric one.

Ferroelectricity is a state in which the constituent lattice “looks” in one specific direction, forming a macroscopic electrical polarisation. The ability to...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Rittal und Innovo Cloud sind auf Supercomputing-Konferenz in Frankfurt vertreten

18.06.2019 | Veranstaltungen

Teilautonome Roboter für die Dekontamination - den Stand der Forschung bei Live-Vorführungen am 25.6. erleben

18.06.2019 | Veranstaltungen

KI meets Training

18.06.2019 | Veranstaltungen

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

Saubere Lunge dank Laserprozessabsaugung

18.06.2019 | Maschinenbau

Rittal und Innovo Cloud sind auf Supercomputing-Konferenz in Frankfurt vertreten

18.06.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Ionenkanal mit Türsteher: Calcium-Ionen blockieren Kanalöffnung in Abhängigkeit vom pH-Wert

18.06.2019 | Biowissenschaften Chemie

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