Archiv der Kategorie: “Professor Allman”

Buchprojekt Science Fiction Roman über einen Physikprofessor mit Namen Allman und seinen Assistenten Daniel

Marsrover Curiosity gelandet

Video: Unterhaltsame 3D-Animation zur Curiosity Marslandung

Am frühen Morgen des 6. August 2012 hat die US-Raumsonde Curiosity, zu deutsch Neugier, ihr Ziel erreicht: den Mars beim äquatornahen Einschlagkrater Gale auf der Südhalbkugel. Mit dem Eintritt der Sonde in die dünne Marsatmosphäre folgten höllische sieben Minuten.

Die Missionskontrolleure auf der Erde waren in dieser Phase aufs Zuschauen beschränkt, weil Funkbefehle 14 Minuten brauchen, bis sie den Mars erreichen. Nach vier Minuten Abbremsen war der Hitzeschild weißglühend und ein Fallschirm wurde herausgeschossen, um die Geschwindigkeit weiter zu reduzieren.

Dreißig Sekunden später wurde die Landestufe vom Hitzeschild getrennt und die restliche Abbremsung bis zum Stillstand auf der Oberfläche übernahmen Raketentriebwerke. Wegen der dünnen Atmosphäre ist eine weiche Landung mit Hilfe von Fallschirmen nicht möglich. Airbags können wegen Curiositys hoher Masse von 900 kg nicht eingesetzt werden.

Der Marsrover ist praktisch ein Feldlabor auf sechs Rädern, groß wie ein Personenwagen, wie es bislang jenseits der Erde noch nie zum Einsatz kam. Mit den Geräten lassen sich detaillierte chemische Analysen durchführen, um die Frage nach Leben auf dem Mars endgültig zu beantworten. Nach der Landung durchlief Curiosity seine Aktivierungssequenz, nahm unter anderem erste Bilder seiner Umgebung auf und machte sich auf den Weg zur Exploration.

Die Marssonde soll herausfinden, ob sich in den Gesteinen und Böden Spuren solcher organischen Stoffe finden, die eine Voraussetzung für Leben sind, wie wir es kennen. Bei früheren Missionen konnte man solche Spuren nicht zweifelsfrei finden. Die Sonde soll sich insbesondere im Landegebiet des Kraters Gale rund zwei Jahre aufhalten

Wenn alles glattgeht, wird uns Curiosity faszinierende Einsichten in die geologische Geschichte des Mars bieten. Auch visuell dürfte die Mission für eindrucksvolle Panoramaaufnahmen sorgen.

Buchtipps
Roman: Professor Allman und die verschwindende Realität: Zeitreiseroman mit wissenschaftlichem Hintergrund
Sachbuch: Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Roboter erobern die Haushalte

Foto cc-by-sa Manfred Werner - Tsui.jpg

In den nächsten Jahren werden Haushaltsroboter und automatisierte Lösungen für ältere Menschen zunehmend in die Haushalte einziehen und auch Pflegeaufgaben übernehmen. Deutschland eröffnen sich hierdurch aufgrund seiner guten Position in der Industrierobotik und Automation sowie anderen Basistechnologien große Potentiale auf dem Weltmarkt.

Dies sind Ergebnisse der neuen VDE-Studie „Mein Freund der Roboter“, die der Verband in München vorstellte. „Unsere Experten erwarten im Bereich Servicerobotik attraktive ökonomische Wachstumsraten, die zu neuen Arbeitsplätzen führen“, so VDE-Präsidiumsmitglied Dr.-Ing. Kurt Bettenhausen. Zum anderen trügen Serviceroboter dazu bei, die Herausforderungen des demografischen Wandels erfolgreich zu meistern und die Lücke zwischen einer kontinuierlich alternden Bevölkerung, einer rückläufigen Erwerbsbevölkerung und einem Mangel an Pflegekräften zu schließen.

Vor allem im Bereich der Rehabilitationsrobotik, wie zum Beispiel intelligente Rollstühle, kleine Roboterarme oder neuartige Beinprothesen erwartet der VDE in naher Zukunft große Fortschritte. Sie ermöglichen es heute schon alten, kranken oder behinderten Menschen, verlorene Mobilität und Selbständigkeit zurückzugewinnen. Einen kommenden Boom sieht der Verband in der Entwicklung von menschenähnlichen Robotern (Humanoide) als Haushaltshelfer für komplexe Aufgaben oder als persönlicher Assistent für ältere Menschen. „Bisher haben nur wenige Firmen in Japan, Korea und China erste humanoide Roboter auf den Markt gebracht. Wir erwarten jedoch für die nächsten zehn Jahre erhebliche Zuwachsraten in diesem Segment“, so Bettenhausen weiter. Gegenwärtig stammen zahlreiche Serviceroboter für den Privatbereich aus Asien.

Senioren ziehen Roboter dem Altenheim vor
Roboter sollen, so die Vision, gemeinsam mit den älteren Menschen den Alltag bewältigen und sie dabei unterstützen, länger möglichst eigenständig zu leben. Aber werden Serviceroboter von Senioren überhaupt akzeptiert? Der VDE-Studie zufolge steht die Mehrheit der Senioren (56 Prozent) Servicerobotern positiv gegenüber. 50 Prozent der Pflegekräfte befürworten den Einsatz von Robotern im privaten Bereich. Am beliebtesten sind Haushaltsroboter wie Staubsauger- und Wischroboter, aber auch futuristische Anwendungsszenarien wie der „roboterisierte Rollstuhl“. Allerdings zeigt die VDE-Studie auch, dass das gesellschaftliche und technologiepolitische Bekenntnis zum „Freund Roboter“ noch nicht so klar ausfällt wie in asiatischen Ländern, etwa Südkorea oder Japan. So lehnen 40 Prozent der Senioren die Servicerobotik im Alltag spontan ab. 60 Prozent der befragten Senioren empfinden Robotik als „unheimlich“.

Der Wunsch nach einer selbständigen Lebensführung ist jedoch ein starker Faktor für die Akzeptanz. So erreichte das futuristische Anwendungsszenario „roboterisierter Rollstuhl“ einen der höchsten Rankingplätze, obwohl die Vorbehalte gegenüber Systemen, die direkt mit den Menschen kommunizieren, kooperieren oder sie sogar berühren, am stärksten ausgeprägt sind. Der Nutzen – Mobilität, Orientierung, Unabhängigkeit, Selbständigkeit, Schutz der Intimsphäre – wird in diesen Fällen höher bewertet als die damit verbundenen akzeptanzhemmenden Faktoren. Die überwiegende Mehrheit der Befragten würde einen Serviceroboter zu Hause der Alternative Altenheim vorziehen. Am beliebtesten sind Roboter, die abgrenzbare Tätigkeiten im Haushalt autonom erledigen, insbesondere Staubsauger- und Wischroboter. Im Mittelfeld liegen die Szenarien „gesundheitliches Monitoring“, „Fitness-Coach“ und „Kommunikation und Anregung“, gefolgt von Fensterputz-Robotern, Therapieanwendungen und humanoiden Haushaltsrobotern für komplexe Tätigkeiten. (Quelle: idw; Foto: cc-by-sa Manfred Werner – Tsui)

Buchtipp:

Einsteins “spukhafte Fernwirkung” besteht ihren strengsten Test

Anton Zeilinger (Foto: Jaqueline Godany)

Albert Einstein äußerte Bedenken an der damals jungen Quantenmechanik. Von ihm als “spukhafte Fernwirkung” bezeichnet, hat die quantenmechanische Verschränkung dank der Forschungsgruppe um Rupert Ursin und Anton Zeilinger an der Universität Wien sowie am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation ihren bisher strengsten Test bestanden.

Die Idee

Albert Einstein hat in einem im Jahr 1935 veröffentlichten Artikel Bedenken an der damals jungen Quantenmechanik wegen ihrer verrückten Vorhersagen angemeldet. Eine der Besonderheiten geht auf den österreichischen Physiker Erwin Schrödinger zurück und behauptet, dass es verschränkte Teilchenpaare gibt, deren Wechselbeziehung auch über große Distanzen stärker ist als es klassische physikalische Gesetze erlauben. Diese quantenmechanische Verschränkung wurde seither in zahlreichen Versuchen getestet, wobei sich die Vorhersagen der Quantenphysik bisher stets bestätigt haben. Aber es blieb immer noch gewisse Lücke offen. Die Quantengruppe um Rupert Ursin und Anton Zeilinger an der Universität Wien sowie am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften hat nun auf den Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa das bislang überzeugendste Experiment durchgeführt.

Nichtsdestotrotz gibt es anhaltende Bemühungen, Versuchsergebnisse an verschränkten Teilchen nicht quantenphysikalisch, sondern innerhalb eines klassischen (lokal realistischen) Weltbildes zu beschreiben. Dann muss man aber den Teilchen verborgene Eigenschaften zuschreiben und ferner die Hypothese aufstellen, dass es zwischen den am Experiment eingesetzten Apparaten, der Quelle der Teilchen und den Teilchen selbst eine verborgene Kommunikation gibt.

Die Umsetzung

Die Forscher erzeugten auf La Palma quantenmechanisch verschränkte Paare von Lichtquanten. Von jedem Paar blieb ein Lichtquant in einer Glasfaser in La Palma, während das andere 144 Kilometer über den Atlantik nach Teneriffa geschickt und mit einem Teleskop der Europäischen Weltraumagentur ESA aufgefangen wurde. An beiden Orten wurden dann an den Teilchen Messungen durchgeführt, die erst im allerletzten Augenblick nach einem Zufallsprinzip festgelegt wurden.

Weil keine Information schneller als die Lichtgeschwindigkeit übertragen werden kann, gab es keine Chance, dass eine Seite wissen konnte, was an der anderen gemessen wurde. Ebenso wurde sichergestellt, dass die Quelle bei der Aussendung der Teilchen nicht wissen konnte, was an ihnen gemessen wird noch umgekehrt konnten die gewählten Messungen die Teilchen bei der Aussendung beeinflussen.

Durch den Einsatz modernster Technologien wurde es somit möglich, jeglichen potentiellen Informationsaustausch zwischen der Teilchenquelle und den Zufallsgeneratoren, die die Messgrößen auswählen, zu verhindern. “Durch eine sorgsame räumliche Anordnung aller Apparaturen und präzise zeitliche Abfolge der Teilchenpaarerzeugung, der Wahl der Messgrößen sowie der Messungen selbst konnten erstmals jedwede verborgene Kommunikation ausgeschlossen und die damit verbundenen Schlupflöcher geschlossen werden“, erklärt Johannes Kofler, Mitautor der Studie.

Die quantenmechanische Verschränkung, die von Albert Einstein als “spukhafte Fernwirkung” angezweifelt wurde, hat somit ihren bisher strengsten Test bestanden. Alle weiteren Experimente müssen nun auf den Ideen und Konzepten dieses Experiments aufbauen. “Diese Ergebnisse untermauern auch die Sicherheit der Quantenkryptographie und ähnlicher Verschlüsselungsverfahren”, so Anton Zeilinger [siehe Foto]. (Quelle: idw , Foto: Jaqueline Godany)

Fauchende Monster – sensationelle Funde aus der Grube Messel

Video: Fossile Funde aus der Grube Messel

Wer heute in die zirka 20 Kilometer südöstlich von Frankfurt gelegene Grube Messel schaut, blickt auf vereinzelte Baumgruppen, Büsche und Gräser, die den so genannten Ölschiefer bedecken. Eine Fülle sensationell gut erhaltener Fossilfunde, die von Wissenschaftlern des Senckenberg Forschungsinstituts Frankfurt aus den Ablagerungen des einstigen Maarsees geborgen wurden belegen jedoch, dass das heutige UNESCO Weltnaturerbe vor 47 Millionen Jahren deutlich anders aussah.

Die eozäne “Messelwelt” war exotisch bunt und artenreich. In dem damals vorherrschenden feuchtwarmen Klima mit einer Jahresdurchschnittstemperatur von 25° Celsius beweideten nicht nur die berühmten Urpferdchen die grün bewachsenen und teilweise sumpfigen Uferzonen. Rund um den in einem Vulkankrater entstandenen Messelsee, der zu der Zeit von einem dicht bewachsenen Urwald umgeben war, lebten frühe Huf- und Nagetiere, die Vorfahren unserer Vögel flogen über das von Algen bewachsene Wasser, Insekten schwirrten durch die Luft und vermutlich lagen die kaltblütigen Reptilien auch damals schon etwas träge in der Sonne.

Bei den seit 1975 systematisch durchgeführten Grabungen des Forschungsinstituts Senckenberg werden pro Jahr durchschnittlich 3000 fossile Arten aus den Ölschieferplatten der Grube Messel geborgen. Einige repräsentative und besonders gut erhaltene Tiere wurden jetzt der Öffentlichkeit vorgestellt. Fauchende Monster — sensationelle Funde aus der Grube Messel weiterlesen

Wachsen uns verlorene Gliedmaßen bald nach?

Zebrafisch Foto: PD

Den molekularen Geheimnissen der Regeneration etwas mehr auf die Spur gekommen sind jetzt Forscher am DFG-Forschungszentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) und am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen. In der Fachzeitschrift Developmental Biology beschreiben sie die neu entdeckte Funktion des Zebrafisch-Gens fam53b/simplet (smp) in Bezug auf den Regenerationsprozess von Geweben. Das ist die Voraussetzung dafür, zu verstehen, wie sich Körpergewebe nach Verlust wieder neu bildet.

Während der Neubildung von Schwanzflossen beim Zebrafisch reguliert smp zum einen die Vermehrung von Zellen und zum anderen die Aktivierung von Genen. In vorangegangenen Studien ist bereits die Rolle von smp im Prozess der Zellvermehrung identifiziert worden. In der nun vorliegenden Studie haben die Dresdner und Tübinger Forscher erkannt, dass smp während der frühen Regeneration der Schwanzflosse und des Herzens aktiv wird und die Struktur (Patterning) des neu entstehenden Gewebes maßgeblich beeinflusst. “Die starke Vermehrung von Zellen und die Regulierung von Genen nach dem Verlust von Körperteilen ist Teil des natürlichen Regenerationsprozesses bei Organismen, die die Fähigkeit besitzen, ganze Körperteile wiederherzustellen”, so Christopher Antos. “Der Zebrafisch kann verschiedene Gewebe, wie beispielsweise Flossen und Herz nach Teilverlust vollständig regenerieren.” Dabei spielt smp eine wichtige Rolle: “Im Zebrafisch wird smp bei der Neubildung der Flossen und des Herzens ‘angeschaltet’. Allerdings wird durch die Unterdrückung dieses Gens der Regenerationsprozess verhindert”, so Antos.

In dieser Studie haben die Forscher auch zeigen können, dass smp zwei Gene (msxb und shh) kontrolliert, die während der Regeneration wichtig sind. So beeinflusst smp die Aktivierung dieser Gene beim Nachwachsen von Schwanzflossen des Zebrafisches. “Herausgefunden haben wir diesen Zusammenhang, indem wir smp in einem Versuch ‘ausgeschaltet’ haben. Danach wurden die Gene shh und msx vermehrt gebildet”, erklärt Dr. Antos. Da nicht nur die reine Menge von neuen Zellen bei der Wiederherstellung von Gewebe wichtig ist, untersuchten die Wissenschaftler auch die Aufgabe des Gens smp bei der Strukturbildung von neuen Körperteilen. Manche Fische mit verminderter Menge an smp bilden mehr Knochen während der Regeneration der Schwanzflosse, allerdings am falschen Ort. “Demnach ist smp sehr wichtig, um Körperteile nach Verlust wieder fehlerfrei nachwachsen zu lassen”, fasst Antos zusammen.

Lässt diese Entdeckung auch Rückschlüsse auf den Menschen zu? Es gibt in der Tat ein menschliches Gen, das dem Zebrafisch Gen smp sehr ähnlich ist. “Das Potential dieses Genes bei der Neubildung von menschlichen Geweben ist bis jetzt nicht erforscht”, sagt Christopher Antos. Durch die Identifikation weiterer molekularer Zusammenhänge bei der Regenerierung sind therapeutische Ansätze für die Neubildung von menschlichem Gewebe zukünftig durchaus denkbar.  (Quelle: idw)

Quantenteleportation zwischen Licht und Materie

Erklärung der Teleportation (englisch)

Das Konzept der Quantenteleportation – der “spukhaften” vollständigen Übertragung des Zustandes eines Quantensystems an einen beliebigen anderen Ort – wurde experimentell zunächst zwischen zwei verschiedenen Lichtstrahlen verwirklicht. Später gelang es auch, die Eigenschaften eines gespeicherten Ions auf ein anderes gleichartiges Objekt zu übertragen. Ein Team von Wissenschaftlern um Prof. Ignacio Cirac am MPQ sowie um Prof. Eugene Polzik am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen hat jetzt gezeigt, dass die Quantenzustände eines Lichtpulses auch auf ein makroskopisches Objekt, ein Ensemble aus 1012 Atomen, transferiert werden können.  Damit ist erstmals die Teleportation zwischen Objekten unterschiedlicher Natur gelungen, die einerseits “fliegende” (Licht) bzw. “stationäre” Medien (Atome) repräsentieren. Das hier vorgestellte Ergebnis ist nicht nur für die Grundlagenforschung interessant, sondern vor allem auch für die praktische Anwendung bei der Realisierung von Quanten-Computern oder der Übermittlung verschlüsselter Daten (Quantenkryptographie).

Seit Beginn der 90er Jahre hat die Erforschung der Quantenteleportation bei theoretischen und experimentellen Physikern Hochkonjunktur. Bei der Übermittlung von Quanteninformationen tritt ein grundsätzliches Problem auf: Nach der Heisenbergschen Unschärferelation lassen sich zwei komplementäre Eigenschaften eines Quantenteilchen – etwa Ort und Impuls – nicht gleichzeitig präzise messen. Die gesamte Information des Systems muss also übertragen werden, ohne dass man sie vollstän-dig kennt. Doch die Natur der Teilchen hält auch die Lösung für dieses Problem bereit: Sie liegt in der Möglichkeit, zwei Teilchen miteinander so zu “verschränken”, dass deren Eigenschaften perfekt korre-liert sind. Misst man eine bestimmte Eigenschaft an einem der “Zwillingsteilchen”, so ist damit die entsprechende Eigenschaft des anderen automatisch und mit sofortiger Wirkung festgelegt.

Mit Hilfe verschränkter Teilchen lässt sich eine erfolgreiche Quantenteleportation in etwa folgendermaßen durchführen: Man erzeugt ein Hilfspaar von miteinander verschränkten Teilchen, die jeweils an “Alice” bzw. “Bob” verschickt werden. (Die Bezeichnungen “Alice” und “Bob” haben sich eingebürgert, um das Versenden von Quanteninformationen von A nach B zu beschreiben). Alice verschränkt nun das Objekt, das sie teleportieren will, mit einem der Hilfsteilchen, und misst anschließend den gemeinsamen Zustand (Bell Messung). Das Ergebnis schickt sie auf klassischem Weg an Bob. Der wendet es auf sein Hilfsteilchen an und “zaubert” daraus – das Teleportationsobjekt.

Handelt es sich bei solchen “Gebrauchsanleitungen” um bloße Gedankenspiele? Die große Herausforderung für theoretische Physiker besteht darin, Konzepte auszuarbeiten, die sich auch in die Praxis umsetzen lassen. Das hier beschriebene Experiment, das von einem Forscherteam um Prof. Eugene Polzik am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen durchgeführt wurde, geht auf einen Vorschlag von Prof. Ignacio Cirac, geschäftsführender Direktor am MPQ, und seinem Mitarbeiter Dr. Klemens Hammerer (damals ebenfalls MPQ, seit kurzem Universität Innsbruck) zurück.

Zunächst wird das “Zwillings-Pärchen” erzeugt, indem ein starker Lichtpuls auf ein mit Cäsiumgas (etwa 1012 Atome) gefülltes Glasröhrchen geschickt wird. Die magnetischen Momente der Gasatome werden in einem homogenen Magnetfeld ausgerichtet. Auch das Licht hat eine Vorzugsrichtung: es ist polarisiert, d.h. das elektrische Feld schwingt nur in einer Richtung. Unter diesen Bedingungen treten Licht und Atome miteinander in Wechselwirkung, so dass der nach dem Gang durch das Gas austretende Lichtpuls, der an Alice geschickt wird, mit dem Ensemble von 1012 Cäsiumatomen, das sich bei Bobs Aufenthaltsort befindet, “verschränkt” ist.

Alice mischt den ankommenden Puls mit Hilfe eines Strahlteilers mit dem Objekt, das sie teleportieren will: einem schwachen, nur wenige Photonen enthaltenden Lichtpuls. Die resultierenden Lichtpulse an den beiden Ausgängen des Strahlteilers werden mit Photodetektoren gemessen, und die Messergebnisse werden an Bob gesandt.

Aufgrund der Messergebnisse weiß Bob, was zu tun ist, um die Teleportation abzuschließen und die ausgewählten Quantenzustände des Lichtpulses, Amplitude und Phase, auf das atomare Ensemble zu übertragen. Dazu legt er ein niederfrequentes Magnetfeld an, das den kollektiven Spin (Eigendrehimpuls) des Systems zum Schwingen bringt. Dieser Vorgang lässt sich vergleichen mit der Präzession eines Kreisels um seine Hauptachse: Die Auslenkung des Kreisels korrespondiert mit der Amplitude des Lichtes, während der Nulldurchgang der Phase entspricht.

Um nachzuweisen, dass die Teleportation erfolgreich war, wird nach 0,1 Millisekunden ein zweiter starker Puls polarisiertes Licht auf das atomare Ensemble geschickt, der dessen Zustand gewissermaßen “ausliest”. Aus diesen Messwerten können die theoretischen Physiker die so genannte “Fidelity” berechnen, eine Gütezahl, die angibt, wie gut der Zustand des teleportierten Objektes mit dem Original übereinstimmt. (Eine Gütezahl von 1 entspricht einer perfekten Übertragung, während der Wert Null bedeutet, dass gar keine Übertragung statt gefunden hat.). Im vorliegenden Experiment beträgt die Gütezahl 0,6 und liegt damit deutlich über dem Wert von 0,5, der bestenfalls auf klassischem Weg, z.B. durch Übermittlung der Messwerte per Telefon, ohne Beteiligung von verschränkten Teilchen, zu erreichen wäre.

Anders, als es der geläufigen Vorstellung von “Beamen” entspricht, ist hier nicht ein Teilchen von einem Platz verschwunden und an einem anderen Platz wieder aufgetaucht. “Es geht bei der Quantenteleportation um Kommunikationsmethoden mit Anwendung in der Quantenkryptographie, der Verschlüsslung von Daten, und nicht um neuartige Verkehrswege”, betont Dr. Klemens Hammerer. “Die Bedeutung des Experimentes liegt darin, dass erstmals eine Teleportation zwischen Atomen, die stationäre Quantenspeicher darstellen, und Licht, das man für die Übertragung von Informationen über weite Strecken braucht, gelungen ist. Damit ist ein wichtiger Schritt getan, Quantenkryptographie, d.h. absolut sichere Kommunikation über lange Distanzen, etwa zwischen München und Kopenhagen, zu ermöglichen.” [O.M.] (Quelle: idw)

Einzigartiger Blick in bisher unbekannte Bereiche der Quantenwelt

Blick in das Herzstück des Elektronenmikroskops
Foto: QUANTUM, Universität Mainz

Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz konnten erstmals Verteilung einzelner Atome im Bose-Einstein-Kondensat abbilden / Veröffentlichung in Nature Physics

Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist es gelungen, erstmals die räumliche Verteilung einzelner Atome in einem Bose-Einstein-Kondensat sichtbar zu machen. Bei Bose-Einstein-Kondensaten handelt es sich um kleine, sehr kalte Gaswolken, die aufgrund ihrer niedrigen Temperaturen nicht mehr durch die klassische Physik, sondern mit den Gesetzen der Quantenmechanik beschrieben werden müssen. Die ersten Bose-Einstein-Kondensate wurden 1995 von Eric A. Cornell, Carl E. Wieman und Wolfgang Ketterle erzeugt, die dafür bereits sechs Jahre später den Nobelpreis für Physik erhielten. Seither sind diese einzigartigen Gaswolken, die kältesten von Menschen erzeugten Objekte überhaupt, weltweiter Forschungsgegenstand.

Physiker um Dr. Herwig Ott von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Arbeitsgruppe Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM), haben nun eine neue Technik entwickelt, mit der einzelne Atome in einem Bose-Einstein-Kondensat abgebildet werden können. Darüber hinaus übertrifft die erreichte räumliche Auflösung der Darstellung alle bisherigen Methoden um ein Vielfaches. Die Forschungsergebnisse der durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Emmy Noether-Nachwuchsgruppe am Institut für Physik wurden unter dem Titel “High-resolution scanning electron microscopy of an ultracold quantum gas” in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Möglich wurde dieser Durchbruch durch den Einsatz eines hochauflösenden Rasterelektronenmikroskops (REM), das mithilfe eines sehr feinen Elektronenstrahls die ultrakalte Atomwolke abtastet und so auch kleinste Strukturen sichtbar macht. “Die Übertragung der Elektronenmikroskopie auf ultrakalte Gase war ein technisches Wagnis”, berichtet Dr. Herwig Ott, Leiter der Emmy Noether-Nachwuchsgruppe, “denn hier mussten zwei sehr unterschiedliche Techniken zusammengeführt werden.” Hinzu kommt, dass sich Atome und Moleküle anders als in Festkörpern in Gasen vollkommen frei und ungeordnet durcheinander bewegen. Ein weiterer Vorteil dieses hochentwickelten Mikroskopieverfahrens besteht in der besseren räumlichen Auflösung im Vergleich zu optischen Verfahren, bei denen das Auflösungsvermögen durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts begrenzt ist. “Mit 150 nm Auflösung sind wir in der Lage, etwa 10mal genauer in diese Quantenobjekte hineinzublicken, als es uns bisher möglich war”, so Ott.

Ähnlich wie durch die Elektronenmikroskopie bisher unbekannte Bereiche unserer Welt für den Betrachter erkennbar wurden, eröffnen sich durch die in Mainz entwickelte Technik einzigartige Möglichkeiten, die mikroskopische Struktur der Quantengase zu untersuchen. Einen ersten wichtigen Meilenstein können die Mainzer Physiker bereits vorweisen: Es ist ihnen gelungen, die Struktur eines sogenannten optischen Gitters sichtbar zu machen. Optische Gitter sind Interferenzmuster aus Laserstrahlen, die auf die Atomwolke eingestrahlt werden und dieser ihre periodische Struktur aufzwingen. Dabei entstehen kristallähnliche Gebilde. Das Interessante dabei ist, dass die Bewegung der Atome eines Quantengases in einem optischen Gitter dem Verhalten von Elektronen in Festkörpern ähnelt. Quantengase sind daher in der Lage, die physikalischen Eigenschaften von Festkörpern zu simulieren und können so auch zur Klärung noch offener Fragestellungen in der Festkörperphysik beitragen. (Quelle: idw)

Das neue Gesicht der Wirklichkeit

Der Theologe Adolf von Harnack (1851- 1930) hat die theoretischen Physiker als die wahren Philosophen des 20. Jahrhunderts bezeichnet. Die Notwendigkeit zu philosophieren ergab sich vor allem durch die Schlüsselposition, die der Beobachter in der Quantentheorie einnimmt. Im täglichen Leben wird niemand behaupten, dass der Mond nur dann am Himmel steht, wenn wir ihn anschauen. Aber in der Mikrowelt entscheidet sich das Ergebnis eines Experiments tatsächlich erst durch die Messung. Oder anders herum: Bevor eine quantenphysikalische Größe gemessen wird, hat sie keinen bestimmten Wert. Beispielsweise kann ein Elektron in einem von der Umgebung isolierten Atom sich gleichzeitig auf zwei verschiedenen Kreisbahnen um den Kern bewegen [man spricht von der ‘Überlagerung der Zustände’]. Damit besitzt es keinen bestimmten Energiewert – solange, bis der Physiker eine Messung vornimmt. Misst man direkt nach dieser Messung das Elektron noch einmal, kommt wieder der Wert aus der ersten Messung heraus. Denn durch die erste Messung ist der vorher unbestimmte Zustand eindeutig festgelegt worden.

In modernen Experimenten ist es bereits gelungen, Atome zu erzeugen, die sich gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen befinden. Unlängst gelang es sogar Forschern im US-amerikanischen Stony Brook, einen supraleitenden Strom zu erzeugen, der gleichzeitig in zwei verschiedenen Richtungen floss. Solche Versuche sind besonders knifflig, da man eine Möglichkeit finden muss, die überlagerten Zustände auf indirektem Weg nachzuweisen, denn eine direkte Messung würde die Überlagerung aufheben.

Der Einfluß des Beobachters ist in der Quantenwelt entscheidend. Wie aber sein „Eingreifen“ genau zu verstehen ist und wo die Grenze zwischen Alltags- und Quantenwelt tatsächlich liegt, ist bis heute nicht geklärt. Besitzt der Beobachter eine Sonderstellung, die ihn über die Materie erhebt, oder ist er selbst eine Überlagerung quantenmechanischer Zustände? In den Anfängen der Quantentheorie wurde von einigen Wissenschaftlern tatsächlich die „Geist-über-Materie“- Interpretation vertreten: das menschliche Bewusstsein sei, so behaupteten sie, nicht den Regeln der Quantenmechanik unterworfen, da diese nur für Materie gälten. Auf Grund dieser Sonderstellung könnten wir durch bloße Beobachtung bewirken, dass Objekte von unbestimmten Zuständen in ein konkretes Dasein treten. Solch eine Erklärung würde aber bedeuten, dass Messapparate alleine keine eindeutigen Ergebnisse bei einem Experiment produzieren könnten. Es wäre immer ein menschlicher Beobachter nötig, der diese Ergebnisse registriert und sie dadurch erst von der quantenmechanischen Überlagerung in die Eindeutigkeit der Alltagswelt überführt. Diese Interpretation der Quantenphysik hätte natürlich bizarre Konsequenzen: Ein Wissenschaflter könnte dann nämlich ein Messprotokoll – ohne es anzuschauen – vervielfältigen und an Physikinstitute in aller Welt verschicken. Die Ergebnisse auf den Papieren blieben solange vieldeutig, bis der erste Physiker sein Exemplar des Protokolls angesehen hätte. In diesem Augenblick wären auch die Ergebnisse auf allen anderen Kopien wie durch Zauberei festgelegt. Ein Effekt, der dem Fall der Zwillingsphotonen ähnelt, diesmal aber Objekte aus der Alltagswelt betreffen würde!

Einen noch phantastischer klingenden Vorschlag zur Interpretation des Messprozesses machte 1957 der amerikanische Physiker Hugh Everett. Er ging davon aus, dass der Beobachter sich in mehrere Kopien seiner selbst aufspaltet und dadurch jeden möglichen Ausgang eines Experiments sieht. Der Beobachter merkt nur deshalb nichts davon, weil jede Kopie nach der Beobachtung in ihrem eigenen, parallel existierenden Universum weiterlebt. Da für jedes denkbare Ergebnis jeder quantenmechanischen Wechselwirkung Kopien des jeweiligen Beobachters entstehen, existieren Everetts Theorie zufolge eine fast unendliche Zahl paralleler Universen nebeneinander.

Umstritten ist im Rahmen dieser Theorie die Frage, ob wir andere Universen besuchen könnten. Der britische Physiker David Deutsch bejaht dies und kommt zu dem überraschenden Schluss, dass Zeitreisen in Everetts „Viele-Welten-Theorie“ ohne Widersprüche möglich wären. Eines der wichtigsten Argumente gegen Ausflüge in die Vergangenheit ist nämlich, dass der Zeitreisende in der Vergangenheit seine eigene Geburt verhindern und somit ein Paradoxon erzeugen könnte. Dieses Argument ist aber in einem „Multiversum“ nicht stichhaltig: Denn ein Zeitreisender könnte sich in die Vergangenheit jedes parallelen Universums begeben und dort die Geburt seines „Doubels“ verhindern, ohne dass ein logischer Fehler auftreten würde.

Die meisten Physiker sind der Überzeugung, dass die beiden vorgestellten extremen Sichtweisen bei der Interpretation der Quantentheorie noch nicht der Weisheit letzter Schluss sind. Und letztendlich ist dies eben eine philosophische Diskussion. Bereits Niels Bohr vertrat die pragmatische Sichtweise, die Physik könne lediglich Aussagen über Dinge machen, die der Messung zugänglich sind. Über den Rest empfahl er zu schweigen. Oder, wie Wolfgang Pauli es formulierte: „Ob etwas, worüber man nichts wissen kann, doch existiert, darüber soll man sich … doch wohl ebensowenig den Kopf zerbrechen, wie über die alte Frage, wieviele Engel auf einer Nadelspitze sitzen können.“ (Quelle: Themenheft »Entdeckung des Zufalls«, BMBF, Dezember 2000)

Eine völlig neue Erklärung für das rätselhafte Verhalten der Photonen und für andere Phänomene der Quantenphysik findet sich im Buch Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen. Dort wird wohl zum ersten Mal der physikalische Nachweis geführt, dass Bewusstsein eine Energieart ist, auf der alles was existiert, aufbaut. Mit dieser Erkenntnis bekommt unsere Wirklichkeit eine neues Gesicht.

Traum-Diamanten mit 10 cm Durchmesser könnten bald Realität werden

Wissen Sie über künstliche Diamanten Bescheid?

Auf der Suche nach der Weltformel benötigt der Protagonist des gleichnamigen SciFi-Romans “Professor Allman” mindestens sechs diamantene Pyramiden um die im Kristall gespeicherten Informationen vollständig zu entschlüsseln. Professor Allman vermutet, dass die diamantenen Pyramiden mit der Kantenlänge 10 cm durch eine sehr fortschrittliche Zivilisation in den parallelen Universen hinterlassen wurden, da ihm keine Methode bekannt ist, solche riesigen Diamanten künstlich herzustellen. Nun erzielen Augsburger Physiker mit einem neuem Verfahren entscheidende Fortschritte in der Herstellung künstlicher Diamanten.

Diamantschicht(idw). Weltweit wird von vielen Wissenschaftlern an der Erforschung einer neuen Methode zur Herstellung von Diamant aus kohlenstoffhaltigen Gasen gearbeitet. Zu diesen zählt auch eine Gruppe von Experimentalphysikern der Universität Augsburg, die sich das Ziel gesetzt haben, ein Verfahren zu entwickeln, das es erlaubt, dünne Einkristalle von Diamant von nahezu beliebiger Größe zu synthetisieren. Bei diesen Bemühungen ist der Gruppe um Prof. Dr. Bernd Stritzker und Dr. Matthias Schreck in den letzten Monaten ein entscheidender Fortschritt gelungen, der großflächige Diamant-Einkristalle, wie sie für die zukünftige Realisierung einer Hochtemperaturelektronik notwendig sind, in greifbare Nähe rücken läßt.

Vergleicht man die physikalischen Materialparameter von Diamant mit denen aller anderen bekannten Werkstoffe, so findet man, daß Diamant in einigen Fällen – z. B. was Härte und Wärmeleitfähigkeit betrifft – absoluter Spitzenreiter ist; bei einer Reihe weiterer Größen weist er zusammen mit anderen Materialien die höchsten Werte auf. Diese einzigartige Kombination extremer Eigenschaften verschafft Diamant eine Sonderstellung unter allen Werkstoffen. Für eine Reihe technischer Anwendungen birgt dies das Potential, ultimative Lösungen zu finden, d. h. Lösungen, die durch weitere Entwicklungen nicht mehr zu verbessern sind – beispielsweise Leistungstransistoren, die bei extremen Temperaturen (800o C) arbeiten, oder Fenster für Hochleistungslaser.

Seit vor über 200 Jahren der französische Chemiker Lavoisier die ersten Hinweise hatte, daß Diamant ausschließlich aus Kohlenstoff besteht, haben Alchemisten, Chemiker und Physiker nach einem künstlichen Syntheseweg gesucht. Die Synthese, wie sie für die heutigen Industriediamanten verwendet wird, gelang aber erst in den 50er Jahren dieses Jahrhunderts bei Temperaturen von über 1400o C und Drücken von über 65.000 Atmosphären. Angesichts dieser unwirtlichen Bedingungen sowie der relativ geringen erreichbaren Größe der Kristalle – nach tagelanger Kristallzucht günstigstenfalls ca. 1 cm – bemühte man sich in den letzten Jahren um Alternativen. Diese Bemühungen führten zu einem neuen Verfahren, bei dem man in einer kohlenstoffhaltigen Gasatmosphäre unzählige – eine Milliarde pro Quadratzentimeter – kleinste Diamantkristallite wachsen läßt. Dünne, superharte Schichten, nach diesem Verfahren z. B. auf Bohrer als Verschleißschutz aufgebracht, sind schon heute käuflich erhältlich.

Da die Korngrenzen zwischen den einzelnen, unterschiedlich orientierten Kristalliten den Elektronenfluß behindern, sind sie in dieser Form für Mikroelektronik allerdings nicht zu verwenden. Bei anderen Materialien behelfen sich Wissenschaftler in solch einem Fall üblicherweise damit, daß sie die einzelnen Kristallite – auf einer geschickt gewählten Unterlage – alle identisch ausrichten, so daß sie zu einem perfekten Einkristall zusammenwachsen können. Die Augsburger Physiker haben dieses Verfahren für Diamant nun entscheidend optimiert: Im Rahmen einer Diplomarbeit von Harald Roll haben sie das für das Diamantwachstum üblicherweise als Unterlage verwendete Silizium durch eine hauchdünne, auf einen Einkristall von Strontiumtitanat aufgebrachte Schicht des Edelmetalls Iridium ersetzt. Damit erzielten sie sofort eine im Vergleich zu allen früheren Arbeiten fünf- bis zehnfach bessere Ausrichtung der Diamantkristallite. Stritzker und Schreck sind zuversichtlich, die von ihnen erreichte und zur Zeit unübertroffene Präzision der Ausrichtung von wenigen Zehntel Grad in der nächsten Zeit weiter verbessern zu können. Der Traum vieler Materialwissenschaftler, Einkristalle aus dem einzigartigen Material Diamant mit Durchmessern von 10 cm und mehr für verschiedenste Anwendungen zur Verfügung zu haben, könnte damit schon bald Realität werden.