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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)

Ist Zeit nur eine Illusion? Physiker experimentieren mit der Zeitdehnung

(idw). Die Zeitdehnung ist einer der faszinierendsten Aspekte der speziellen Relativitätstheorie Einsteins, weil er die Vorstellung einer absolut gültigen Zeit abschafft: Uhren in bewegtem Zustand ticken langsamer. Im Experiment konnte die Zeitdehnung zum ersten Mal von Ives und Stilwell 1938 mithilfe des Dopplereffekts beobachtet werden. Physikern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist es nun gelungen, die Zeitdehnung mit bisher nicht erreichter Genauigkeit zu messen. Die Wissenschaftler verwenden dazu einen Ansatz, der die Speicherung und Kühlung von Lithium-Ionen und die Messung ihrer optischen Frequenzen mit einem Frequenzkamm verbindet. “Die Erforschung der Zeitdehnung ist nicht nur für die Grundlagenphysik von Bedeutung, sondern hat für die satellitengestützte Positionsbestimmung mit GPS und viele andere Anwendungen in der Kommunikationstechnologie eine ganz praktische Funktion”, erklärt Univ.-Prof. Dr. Gerhard Huber von der Universität Mainz dazu. Die Arbeit, die in Kooperation mit Wissenschaftlern aus Heidelberg, Garching und Winnipeg entstanden ist, wurde vom Wissenschaftsmagazin Nature Physics online veröffentlicht.

Seit ihrer Einführung 1905 bildet die spezielle Relativitätstheorie Albert Einsteins die Grundlage für alle Beschreibungen physikalischer Vorgänge. Ein wesentliches Prinzip dieser Theorie besagt, dass die Lichtgeschwindigkeit immer konstant bleibt, unabhängig davon, ob sich ein Beobachter mit eigener Geschwindigkeit bewegt oder nicht. Allerdings ist die Zeit in diesem Konzept nun nicht mehr konstant, sondern in einem bewegten System wie beispielsweise einer Rakete im Weltall verlangsamt. Diese Zeitdilatation oder Zeitdehnung wurde 1938 erstmals gemessen und mit einer Genauigkeit von einem Prozent bestimmt. Die jetzt von Nature Physics publizierte Arbeit ist gegenüber dieser ersten Messung 100.000 Mal genauer. “Das ist eine spektakuläre Genauigkeit, die allerdings auch notwendig ist, wenn wir die Grundlagen der Physik, also das Standardmodell testen wollen”, so Prof. Gerhard Huber.

“Innerhalb einer Messgenauigkeit von 1 zu 10 Millionen konnte am TSR Speicherring in Heidelberg die spezielle Relativitätstheorie bestätigt werden”, fasst Prof. Huber zusammen. Die Messung reiht sich damit in die Serie der Überprüfung des sogenannten Standardmodells der Physik ein, das die Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte beschreibt, und die auch den Test der Lorentz-Invarianz, also der Gültigkeit der speziellen Relativität, einschließt.

Warum Zeit nur eine Illusion ist und was in Wirklichkeit dahinter steckt, wird im Sachbuch “Unsterbliches Bewusstsein” ISBN 978-3-8370-4351-8 von Klaus-Dieter Sedlacek erklärt.