Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenphysikalisches Modellsystem

06.04.2017

Heidelberger Physiker reproduzieren mithilfe computergestützter Methoden ein Experiment mit ultrakalten Atomen

Ein Modellsystem, das ein besseres Verständnis der Vorgänge in einem quantenphysikalischen Experiment mit ultrakalten Atomen ermöglicht, haben zwei Wissenschaftler der Universität Heidelberg entwickelt.


Schematische Darstellung des Füllprozesses: Die Atome in den äußeren Potentialtöpfen (durch gelbe Kugeln dargestellt) bewegen sich wie durch die roten Pfeile angedeutet in den mittleren Topf.

Grafik: David Fischer

Mithilfe computergestützter Methoden konnten Prof. Dr. Sandro Wimberger und David Fischer vom Institut für Theoretische Physik dabei Gesetzmäßigkeiten entdecken, die auf universelle Eigenschaften dieses Systems hindeuten. Veröffentlicht wurden die Forschungsergebnisse in der Fachzeitschrift „Annalen der Physik“.

Kleine Teilchen folgen unter bestimmten Voraussetzungen völlig anderen physikalischen Gesetzen, als wir sie aus dem Alltag gewohnt sind. „Die Beobachtung solcher quantenphysikalischer Phänomene gestaltet sich jedoch mitunter schwierig und erfordert es, mit kleinen und isolierten Systeme zu arbeiten und sie zu erforschen.

Eine perfekte Isolation von der Umgebung ist jedoch nie möglich, so dass der fragile Zustand des Quantensystems leicht durch äußere Einflüsse gestört werden kann“, erläutert Erstautor David Fischer, der an der Universität Heidelberg studiert. Für Experimente in diesem Bereich ist es daher von großem Interesse, solche Störungen unter Kontrolle zu halten.

„Diese Kontrolle ermöglicht es nicht nur, die Kohärenz des Systems zu gewährleisten, sondern kann auch gezielt dazu benutzt werden, um spezielle Zustände herbeizuführen“, betont Prof. Wimberger.

Als geeignete Testobjekte haben sich in vielen Experimenten ultrakalte Atome erwiesen, die in sogenannte Potentialtöpfe gefüllt werden. Hier wird durch eine spezielle Laser-Anordnung eine Barriere erzeugt, durch die die Atome in einem kleinen Bereich eingesperrt sind. Werden nun mehrere Töpfe nahe genug zusammengebracht, haben die Atome die Möglichkeit, von einem Topf in einen benachbarten zu „tunneln“.

Sie sind zwar immer noch innerhalb der Töpfe gefangen, können sich aber von Topf zu Topf bewegen, wie die Heidelberger Physiker erläutern. Die Temperatur der Atome, die nur knapp oberhalb des absoluten Nullpunkts von -273,15 Grad Celsius liegt, begünstigt dieses quantenmechanische Verhalten.

Bei der Entwicklung ihres Modellsystems haben David Fischer und Sandro Wimberger ein an der Technischen Universität Kaiserslautern durchgeführtes Experiment reproduziert. Dort wurde das Verhalten von kalten Atomen in einer Kette von Potentialtöpfen untersucht. Die Forscher füllten die Kette dazu mit Atomen, leerten den mittleren Topf und beobachteten, wie dieser sich wieder mit Atomen aus den anderen Töpfen füllte.

„Die Ergebnisse dieser Untersuchung legen nahe, dass bei diesem Vorgang Dekohärenz, also äußere Störeinflüsse, eine entscheidende Rolle spielt. Unklar ist jedoch, durch welche mikroskopischen Prozesse das Quantensystem mit der Umgebung wechselwirkt“, sagt David Fischer.

In ihrer computergestützten Simulation des Wiederauffüll-Vorgangs haben die beiden Heidelberger Wissenschaftler nun verschiedene Hypothesen untersucht und sind dabei der Frage nachgegangen, welche Prozesse tatsächlich auf das Verhalten des Modellsystems einwirken.

Dabei haben sie unter anderem beobachtet, wie sich die für den Wiederauffüllvorgang benötigte Zeit bei Variation der Systemparameter verändert. Diese Zeitdauer folgt einem Potenzgesetz – abhängig von der Dekohärenz-Rate, die die Forscher vorgegeben haben. „In der Physik ist das oftmals ein Zeichen für ein universelles Verhalten des Systems, das für alle Skalen gilt und somit das Gesamtproblem vereinfacht“, so Prof. Wimberger.

Originalpublikation:
D. Fischer und S. Wimberger: Models for a multimode bosonic tunneling junction, Ann. Phys. (2017) (published online 13 February 2017), doi: 10.1002/andp.201600327

Kontakt:
Prof. Dr. Sandro Wimberger
Institut für Theoretische Physik
Telefon (06221) 54-9449
s.wimberger@thphys.uni-heidelberg.de

Kommunikation und Marketing
Pressestelle
Tel. +49 6221 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

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

Weitere Berichte zu: Atome Dekohärenz Gesetzmäßigkeiten Physik Störeinflüsse

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: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

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...

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

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

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