Letztes Update am Fr, 02.06.2017 10:16

TT / Tiroler Tageszeitung Onlineausgabe


Quantenphysik

In der Quantenwelt können sich Atome „beschwingt“ bewegen

Innsbrucker Physiker berichten nun von einem speziellen Fall, in dem sich ein Atom – als Welle gestreut und reflektiert – schwingend in einem Gas bewegt.

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© Rottensteiner/TTSymbolfoto



Innsbruck, Wien – Seit Newton gilt: Ein bewegter Körper verharrt in einer gleichförmigen, geradlinigen Bewegung, solange er nicht durch eine äußere Kraft abgelenkt wird. Doch in der Quantenwelt verhalten sich Objekte nicht immer so. Innsbrucker Physiker berichten nun im Fachjournal „Science“ von einem speziellen Fall, in dem sich ein Atom - als Welle gestreut und reflektiert - schwingend in einem Gas bewegt.

In der Festkörperphysik kennt man bereits sogenannte Bloch-Oszillationen. Dabei werden Elektronen im Kristallgitter spezieller Halbleiterstrukturen so gestreut und reflektiert, dass sie zu schwingen beginnen. „Glücklicherweise sind Kristallgitter üblicherweise nicht perfekt genug, dass dieser Effekt auftritt. Sonst gebe es in leitenden Materialien keinen Stromfluss, da die Elektronen laufend beschleunigt und wieder zurückreflektiert würden“, erklärte Hanns-Christoph Nägerl vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck gegenüber der APA.

Teilchen bilden „eine Art“ Quantenflüssigkeit

Nägerl und seinem Team ist es gelungen, solche Bloch-Oszillationen auch ohne Gitter, nämlich in einem Gas zu beobachten. „Das ist verwunderlich, denn in einem Gas würde man so etwas nicht erwarten“, sagte der Physiker.

Konkret haben die Forscher in ihrem Experiment ein Gas aus Cäsiumatomen fast auf den absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) abgekühlt. Mit Hilfe von Laserstrahlen formten sie extrem dünne Röhrchen, in die sie dieses ultrakalte Gas einsperrten – die Wissenschafter bezeichnen dies als „eindimensionales Gas“. Unter diesen extremen Bedingungen bilden die Teilchen eine Art Quantenflüssigkeit, bewegen können sich die Atome nur entlang der Röhrchen.

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In diese Quantenflüssigkeit schossen die Physiker dann ein einzelnes Cäsiumatom, das sich ja laut den Gesetzen der Quantenphysik auch als Welle verhält. Die Wissenschafter konnten dabei beobachten, wie die Materiewelle dieses Atoms von den Atomen der Quantenflüssigkeit gestreut und reflektiert wurde und zu schwingen (oszillieren) begann. „Es ist, als ob eine Murmel, die in eine Flüssigkeit fällt, sich auf und ab bewegt, statt einfach abzusinken“, so Nägerl.

„Ein bißchen was von Beiden

Das Cäsiumgas werde durch die Einschränkung in eine Dimension „auf eine seltsame Art und Weise kristallin. Es wird kein Kristall und ist weiterhin ein Gas, aber es hat ein bisschen was von beiden“, so der Physiker. Die Atome wüssten quasi, wo in diesem eindimensionalen System ihre Nachbarn seien und das reiche aus, um die Materiewellen mehrfach zu streuen.

Für Nägerl geht es bei diesem Experiment primär darum, Modellsysteme zu erzeugen, mit denen sich Vielteilchen-Quantendynamik simulieren lässt. „Die Theoretiker sind ganz begeistert, weil sie damit ihre Berechnungen vergleichen und Theorien überprüfen können“, sagte der Physiker. Angesichts der fortschreitenden Miniaturisierung im elektronischen Bereich könnten solche eindimensionalen Systeme und die darin auftretenden quantenmechanischen Effekte aber auch einmal Anwendungsrelevanz haben. (APA)