Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mechanismus des Vielteilchentunnelprozesses erstmals exakt beschrieben

05.10.2012
Heidelberger Forscher decken grundlegende Unterschiede zum Einteilchentunnelprozess auf

Mit Forschungen zum Tunneleffekt, einem zentralen Effekt in der Quantenmechanik, ist es Wissenschaftlern der Universität Heidelberg gelungen, erstmals den Mechanismus des Vielteilchentunnelprozesses in den offenen Raum exakt zu beschrieben.

Zugleich konnte das Forscherteam unter der Leitung von Prof. Dr. Lorenz Cederbaum zeigen, worin die grundlegenden Unterschiede zum bereits gut erforschten Tunnelprozess einzelner Teilchen bestehen. Die Ergebnisse dieser in Zusammenarbeit mit israelischen Forschern durchgeführten Untersuchungen wurden in den „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) veröffentlicht.

Aufgrund des Tunneleffektes können quantenmechanisch beschriebene Teilchen sogenannte Potentialbarrieren überwinden, ohne die dafür notwendige Energie zu besitzen – sie „tunneln“ also durch die Barriere. Im Gegensatz dazu ist für Teilchen der klassischen Mechanik nur ein „Klettern über die Barriere” möglich. Der Tunneleffekt tritt bei vielen verschiedenen Prozessen in der Natur auf.

Dazu gehören zum Beispiel Kernfusion, Kernspaltung und Alphazerfall in der Kernphysik sowie Ionisationsprozesse, Photoassoziation und Photodissoziation in der Biologie und Chemie. Diese Prozesse finden jedoch fast ausschließlich in Systemen statt, die aus vielen, miteinander wechselwirkenden Teilchen zusammengesetzt und offen sind.

Wie der Mechanismus von Tunnelprozessen in den offenen Raum bei Vielteilchensystemen aussieht, haben Axel Lode, Privatdozent Dr. Alexej Streltsov, Dr. Kaspar Sakmann und Prof. Dr. Lorenz Cederbaum vom Physikalich-Chemischen Institut der Ruperto Carola Universität Heidelberg untersucht. Kooperationspartner der Heidelberger Forscher war Prof. Dr. Ofir Alon von der Universität Haifa.

Der Tunnelprozess von einzelnen Teilchen ist in der Quantenmechanik seit Jahrzehnten gut verstanden – der Tunnelprozess vieler, miteinander wechselwirkender Teilchen jedoch kaum erforscht. Von Bedeutung ist hier vor allem die Frage, inwiefern durch die Wechselwirkung zwischen den Teilchen kooperative Phänomene verursacht werden, die bei einzelnen Teilchen nicht auftreten können. So haben die Wissenschaftler untersucht, wie der Tunnelprozess vieler wechselwirkender, ultrakalter Bosonen, die anfangs ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat bilden, durch eine Potentialbarriere hindurch in den freien Raum abläuft. Ultrakalte Bosonen bieten sich zum Studium von Vielteilchenprozessen an, weil sowohl ihr externes Potential mittels Lasern als auch die Wechselwirkung mittels eines Magnetfeldes experimentell kontrolliert werden kann.

Eine der Kernfragen der Arbeit war es, herauszufinden, ob der gesamte Vielteilchentunnelprozess als das Tunneln eines einzigen, effektiven Teilchens beschreibbar ist oder ob dieser Prozess grundlegend anders abläuft. Die Wissenschaftler fanden mit Hilfe exakter numerischer Simulationen heraus, dass sogar schon bei schwacher Wechselwirkung im Vielteilchenprozess kollektive Phänomene auftreten. Dabei handelt es sich um eine Quanteninterferenz – ein spezielles Phänomen der Quantenmechanik – von gleichzeitig ablaufenden Einteilchentunnelprozessen, die von Quellen mit unterschiedlicher Teilchenzahl gespeist werden.
Dies zeigt sich durch eine Zunahme der Korrelation, das heißt der Wechselbeziehungen zwischen den anfänglich unkorrelierten Teilchen. Zugleich wiesen die Wissenschaftler damit nach, dass der Vielteilchenprozess nicht als Tunnelvorgang eines einzelnen effektiven Teilchens beschrieben werden kann. Die Beschreibung als effektiver Einteilchenprozess vernachlässigt die auftretenden kollektiven Phänomene und den Aufbau von Korrelationen.

Weitere Informationen und Videos sind im Internet unter http://MCTDHB.org und http://tc.uni-hd.de/axel zu finden.

Originalpublikation:
A. U. J. Lode, A. I. Streltsov, K. Sakmann, O. E. Alon, and L. S. Cederbaum: How an interacting many-body system tunnels through a potential barrier to open space. PNAS 2012, 109 (34), 13521-13525, doi: 10.1073/pnas.1201345109

Kontakt:
Prof. Dr. Lorenz Cederbaum
Physikalisch-Chemisches Institut
Telefon (06221) 54-5211
Lorenz.Cederbaum@pci.uni-heidelberg.de

Kommunikation und Marketing
Pressestelle, Telefon (06221) 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Marietta Fuhrmann-Koch | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-heidelberg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Eine kalte Supererde in unserer Nachbarschaft
15.11.2018 | Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg

nachricht Die Umgebung macht das Molekül zum Schalter
14.11.2018 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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: Mit Gold Krankheiten aufspüren

Röntgenfluoreszenz könnte neue Diagnosemöglichkeiten in der Medizin eröffnen

Ein Präzisions-Röntgenverfahren soll Krebs früher erkennen sowie die Entwicklung und Kontrolle von Medikamenten verbessern können. Wie ein Forschungsteam unter...

Im Focus: Ein Chip mit echten Blutgefäßen

An der TU Wien wurden Bio-Chips entwickelt, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Die Stoffzufuhr lässt sich dabei sehr präzise dosieren.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heute keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe herzustellen, durchzogen von feinen...

Im Focus: A Chip with Blood Vessels

Biochips have been developed at TU Wien (Vienna), on which tissue can be produced and examined. This allows supplying the tissue with different substances in a very controlled way.

Cultivating human cells in the Petri dish is not a big challenge today. Producing artificial tissue, however, permeated by fine blood vessels, is a much more...

Im Focus: Optimierung von Legierungswerkstoffen: Diffusionsvorgänge in Nanoteilchen entschlüsselt

Ein Forschungsteam der TU Graz entdeckt atomar ablaufende Prozesse, die neue Ansätze zur Verbesserung von Materialeigenschaften liefern.

Aluminiumlegierungen verfügen über einzigartige Materialeigenschaften und sind unverzichtbare Werkstoffe im Flugzeugbau sowie in der Weltraumtechnik.

Im Focus: Graphen auf dem Weg zur Supraleitung

Doppelschichten aus Graphen haben eine Eigenschaft, die ihnen erlauben könnte, Strom völlig widerstandslos zu leiten. Dies zeigt nun eine Arbeit an BESSY II. Ein Team hat dafür die Bandstruktur dieser Proben mit extrem hoher Präzision ausgemessen und an einer überraschenden Stelle einen flachen Bereich entdeckt. Möglich wurde dies durch die extrem hohe Auflösung des ARPES-Instruments an BESSY II.

Aus reinem Kohlenstoff bestehen so unterschiedliche Materialien wie Diamant, Graphit oder Graphen. In Graphen bilden die Kohlenstoffatome ein zweidimensionales...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Können Roboter im Alter Spaß machen?

14.11.2018 | Veranstaltungen

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungen

Wer rechnet schneller? Algorithmen und ihre gesellschaftliche Überwachung

12.11.2018 | Veranstaltungen

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

Was das Meer zur Klimaregulierung beiträgt: Neue Erkenntnisse helfen bei der Berechnung

14.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Können Roboter im Alter Spaß machen?

14.11.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Die Umgebung macht das Molekül zum Schalter

14.11.2018 | Physik Astronomie

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