Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Das geteilte Unteilbare

05.06.2012
Wissenschaftler der Universität Bonn haben jetzt gezeigt, wie ein einzelnes Atom in zwei Hälften geteilt, auseinandergezogen und wieder zusammengesetzt werden kann.
„Atom“ bedeutet wörtlich zwar „unteilbar“, aber nach den Gesetzen der Quantenmechanik ist es möglich, sie ähnlich Lichtstrahlen kontrolliert aufzuteilen und wieder zu vereinen. Damit wollen die Forscher quantenmechanische Brücken bauen, indem sie das Atom beim Auseinanderziehen benachbarte Atome berühren lassen – das Atom wirkt dann wie ein Brückenbogen zwischen zwei Pfeilern. Die Ergebnisse sind nun im Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences“ erschienen.

Atome teilen? Was nach Kernspaltung und Radioaktivität klingt, ist vielmehr quantenmechanische Präzisionsarbeit. Die Gesetze der Quantenmechanik erlauben es Objekten, in mehreren Zuständen gleichzeitig zu sein. Dies ist die Grundlage des so genannten Doppelspaltversuchs, bei dem ein Teilchen durch zwei Spalte zugleich gehen kann. Die Bonner Forscher um Prof. Dr. Dieter Meschede vom Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn haben es geschafft, ein einzelnes Atom an zwei Orten gleichzeitig zu halten, die über zehn Mikrometer – das entspricht einem Hundertstel Millimeter – voneinander entfernt sind. Für ein Atom ist das eine enorme Distanz. Danach konnte das Atom unbeschädigt wieder zusammengeführt werden.

Das Atom hat eine gespaltene Persönlichkeit

Die fragilen Quanteneffekte können nur bei niedrigsten Temperaturen und sorgsamer Handhabung auftreten. Eine Methode ist, Cäsiumatome mit Lasern enorm stark zu kühlen – bis auf zehn Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt – und dann mit einem anderen Laser festzuhalten. Dieser Laserstrahl ist der Schlüssel für die Teilung des Atoms: Das Kunststück gelingt, weil Atome einen Spin besitzen, der zwei unterschiedliche Ausrichtungen haben kann. Je nach Ausrichtung lässt sich das Atom vom Laser wie mit einem Förderband nach links oder rechts fahren. Der Kniff liegt darin, dass der Spin des Atoms in beiden Ausrichtungen gleichzeitig sein kann. Wird das Atom gleichzeitig nach links und rechts gefahren, kommt es zur Teilung. „Das Atom hat sozusagen eine gespaltene Persönlichkeit – es ist halb links und halb rechts und doch immer ein ganzes“, sagt Andreas Steffen, der Erstautor der Veröffentlichung.
Die Teile vergleichen ihre „Erlebnisse“

Direkt sehen kann man die Teilung aber nicht: Leuchtet man das Atom an, um etwa ein Foto zu machen, zerbricht die Teilung sofort. Man sieht dann das Atom in mehreren Bildern mal links, mal rechts – nie an beiden Orten. Der Nachweis der Teilung gelingt dennoch, indem man das Atom wieder zusammenfügt. Auf diese Weise kann man aus einzelnen Atomen ein Interferometer bauen, dass etwa zum präzisen Messen von äußeren Einflüssen dient. Die Atome werden dabei geteilt, auseinander bewegt und wieder zusammenfügt. Die „Erlebnisse“ der beiden Hälften werden dann verglichen. Zum Beispiel werden Unterschiede der Magnetfelder zwischen den zwei Positionen oder Beschleunigungen sichtbar, da sie sich in den quantenmechanischen Zustand des Atoms einprägen. Dieses Prinzip wurde bereits eingesetzt, um Kräfte wie die Erdbeschleunigung sehr genau zu vermessen.
Quantensysteme auf der Werkbank?

Den Bonner Forschern geht es aber um etwas anderes, nämlich die Simulation von komplexen Quantensystemen. Viele Physiker hoffen seit langem, mit modernsten Supercomputern schwer erfassbare Phänomene wie so genannte topologische Isolatoren oder die Photosynthese der Pflanzen mit kleinen Quantensystemen nachstellen zu können. Die ersten Schritte zu solchen Simulatoren könnten darin bestehen, die Bewegung von Elektronen in Festkörpern nachzubilden und dadurch Erkenntnisse für innovative elektronische Geräte zu gewinnen. Beispiele sind die Diracbewegung von Elektronen in einer einlagigen Graphenschicht oder die Entstehung künstlicher Moleküle aus wechselwirkenden Teilchen. Hierfür müssen aber einzelne Atome nicht nur gut kontrolliert, sondern auch quantenmechanisch verknüpft werden, da die Crux gerade in dem Gebilde aus vielen Quantenobjekten liegt.
Ein Zahnrad im Getriebe

„Ein Atom ist für uns ein einzelnes Zahnrad, gut kontrolliert und geölt“, sagt Dr. Andrea Alberti, der Teamleiter des Bonner Experiments. „Man kann mit Zahnrädern Rechenmaschinen von beachtlicher Leistung bauen, aber dafür müssen sie ineinandergreifen.“ Hier liegt die eigentlich Bedeutung der Teilung von Atomen: Weil die beiden Hälften wieder zusammengefügt werden, können sie bei der Teilung mit benachbarten Atomen links und rechts durch Berührung Kontakt herstellen und diesen anschließend austauschen. So kann ein kleines Netzwerk von Atomen entstehen, mit dem man wie in einem Computerspeicher reale Systeme nachstellen und kontrolliert manipulieren könnte – ihre Geheimnisse wären dann besser zugänglich. Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass das ganze Potenzial dieser präzisen Kontrolle einzelner Atome sich mit der Zeit offenbaren wird.

Publikation: A digital atom interferometer with single particle control on a discretized spacetime geometry, Proceedings of the National Academy of Sciences, DOI: 10.1073/pnas.1204285109

Kontakt:
Dr. Andrea Alberti
Institut für Angewandte Physik
Tel. 0228/73-3471
E-Mail: alberti@iap.uni-bonn.de

Prof. Dr. Dieter Meschede
Institut für Angewandte Physik
Tel. 0228/73 3477 oder 73 3478
E-Mail: meschede@iap.uni-bonn.de

Johannes Seiler | idw
Weitere Informationen:
http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1204285109
http://www3.uni-bonn.de/Pressemitteilungen/152-2012

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Radioteleskop LOFAR blickt tief in den Blitz
18.04.2019 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Erster astrophysikalischer Nachweis des Heliumhydrid-Ions
18.04.2019 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Explosion on Jupiter-sized star 10 times more powerful than ever seen on our sun

A stellar flare 10 times more powerful than anything seen on our sun has burst from an ultracool star almost the same size as Jupiter

  • Coolest and smallest star to produce a superflare found
  • Star is a tenth of the radius of our Sun
  • Researchers led by University of Warwick could only see...

Im Focus: Neues „Baustein-Konzept“ für die additive Fertigung

Volkswagenstiftung fördert Wissenschaftler aus dem IPF Dresden bei der Erkundung eines innovativen neuen Ansatzes im 3D-Druck

Im Rahmen Ihrer Initiative „Experiment! - Auf der Suche nach gewagten Forschungsideen“
fördert die VolkswagenStiftung ein Projekt, das von Herrn Dr. Julian...

Im Focus: Vergangenheit trifft Zukunft

autartec®-Haus am Fuß der F60 fertiggestellt

Der Hafen des Bergheider Sees beherbergt seinen ersten Bewohner. Das schwimmende autartec®-Haus – entstanden im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung...

Im Focus: Hybrid-Neuronen-Netzwerke mit 3D-Lithografie möglich

Netzwerken aus wenigen Neuronenzellen können gezielt künstliche dreidimensionale Strukturen vorgegeben werden. Sie werden dafür elektronisch verschaltet. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, Fehler in neuralen Netzwerken besser zu verstehen und technische Anwendungen mit lebenden Zellen gezielter zu steuern. Dies stellt ein Team aus Forschenden aus Greifswald und Hamburg in einer Publikation in der Fachzeitschrift „Advanced Biosystems“ vor.

Eine der zentralen Fragen der Lebenswissenschaften ist, die Funktionsweise des Gehirns zu verstehen. Komplexe Abläufe im Gehirn ermöglichen uns, schnell Muster...

Im Focus: Was geschieht im Körper von ALS-Patienten?

Wissenschaftler der TU Dresden finden Wege, um das Absterben von Nervenzellen zu verringern und erforschen Therapieansätze zur Behandlung von ALS

Die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine unheilbare Erkrankung des zentralen Nervensystems. Nicht selten verläuft ALS nach der Diagnose innerhalb...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz: Lernen von der Natur

17.04.2019 | Veranstaltungen

Mobilität im Umbruch – Conference on Future Automotive Technology, 7.-8. Mai 2019, Fürstenfeldbruck

17.04.2019 | Veranstaltungen

Augmented Reality und Softwareentwicklung: 33. Industrie-Tag InformationsTechnologie (IT)²

17.04.2019 | Veranstaltungen

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

Irdischer Schutz für außerirdisches Metall

18.04.2019 | Verfahrenstechnologie

Erster astrophysikalischer Nachweis des Heliumhydrid-Ions

18.04.2019 | Physik Astronomie

Radioteleskop LOFAR blickt tief in den Blitz

18.04.2019 | Physik Astronomie

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