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 Molekulare Maschinen mit Lichtantrieb
23.07.2019 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Was passiert, wenn aus zwei Galaxien eine entsteht
23.07.2019 | Ruhr-Universität Bochum

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: Nachwachsende Zähne

Wissenschaftler*innen der TU Berlin arbeiten an Zähnen aus körpereigenem Material

Haie können es, Krokodile können es, Nagetiere können es und Menschen – theoretisch – auch. Die Rede ist von nachwachsenden Zähnen. Ein Hai muss sich keine...

Im Focus: MOF@SAW oder: Nanobeben und molekulare Schwämmchen zum Wiegen und Trennen winzigster Massen

Augsburger Chemiker und Physiker berichten, wie ihnen die extrem schwierige Trennung von Wasserstoff und Deuterium in einem Gasgemisch gelungen ist.

Dank der hier vor Ort entwickelten und bereits vielfach angewendeten Surface Acoustic Waves-Technologie (SAW) ist die Universität Augsburg international als...

Im Focus: MOF@SAW: Nanoquakes and molecular sponges for weighing and separating tiny masses

Augsburg chemists and physicists report how they have succeeded in the extremely difficult separation of hydrogen and deuterium in a gas mixture.

Thanks to the Surface Acoustic Wave (SAW) technology developed here and already widely used, the University of Augsburg is internationally recognized as the...

Im Focus: Bessere Wärmeleitfähigkeit durch geänderte Atomanordnung

Die Anpassung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien ist eine aktuelle Herausforderung in den Nanowissenschaften. Forschende der Universität Basel haben mit Kolleginnen und Kollegen aus den Niederlanden und Spanien gezeigt, dass sich allein durch die Anordnung von Atomen in Nanodrähten atomare Vibrationen steuern lassen, welche die Wärmeleitfähigkeit bestimmen. Die Wissenschaftler veröffentlichten die Ergebnisse kürzlich im Fachblatt «Nano Letters».

In der Elektronik- und Computerindustrie werden die Komponenten immer kleiner und leistungsfähiger. Problematisch ist dabei die Wärmeentwicklung, die durch...

Im Focus: Better thermal conductivity by adjusting the arrangement of atoms

Adjusting the thermal conductivity of materials is one of the challenges nanoscience is currently facing. Together with colleagues from the Netherlands and Spain, researchers from the University of Basel have shown that the atomic vibrations that determine heat generation in nanowires can be controlled through the arrangement of atoms alone. The scientists will publish the results shortly in the journal Nano Letters.

In the electronics and computer industry, components are becoming ever smaller and more powerful. However, there are problems with the heat generation. It is...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Ein Schlüsselelement der Umwelt: Phosphor

22.07.2019 | Veranstaltungen

Testzone für die KI-gestützte Produktion

18.07.2019 | Veranstaltungen

„World Brain Day“ zum Thema Migräne: individualisierte Therapie statt Schmerzmittelübergebrauch

18.07.2019 | Veranstaltungen

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

Molekulare Maschinen mit Lichtantrieb

23.07.2019 | Physik Astronomie

Gendefekt liefert Hinweise auf die Krankheitsentstehung von ALS

23.07.2019 | Biowissenschaften Chemie

Nachwachsende Zähne

23.07.2019 | Medizin Gesundheit

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