Labo Online - Analytic, Labortechnik, Life Sciences
Home> Labortechnik> Physikalische Messtechnik>

Quantenmechanik - das Atom ohne Eigenschaften

QuantenmechanikDas Atom ohne Eigenschaften

Die Welt der kleinsten Teilchen folgt den Regeln der Quantenmechanik. Sie lassen es zu, dass die Eigenschaften eines Teilchens völlig unbestimmt und dennoch stark mit denen anderer Teilchen verknüpft sind.

Wolke von ultrakalten Atomen

Ein Team von theoretischen und experimentellen Physikern der Universität Basel hat diese sogenannten Bell-Korrelationen erstmals zwischen mehreren Hundert Atomen beobachtet. Das berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Science“.

Gewöhnliche Gegenstände besitzen ihre Eigenschaften unabhängig voneinander und unabhängig davon, ob wir sie beobachten oder nicht. Einsteins berühmte Frage, ob der Mond auch da sei, wenn niemand hinschaue, beantworten wir mit einem sicheren Ja. In der Welt der kleinsten Teilchen gelten diese scheinbaren Gewissheiten nicht. Der Aufenthaltsort, die Geschwindigkeit oder die Orientierung des magnetischen Moments eines Atoms kann völlig unbestimmt sein und dennoch stark von Messungen an anderen, auch weit entfernten Atomen abhängen.

Experimenteller Test von Bell-Korrelationen
Unter der (falschen) Annahme, dass die Atome ihre Eigenschaften jeweils unabhängig von der Messung und unabhängig voneinander besitzen, lässt sich eine sogenannte Bell-Ungleichung aufstellen. Wird sie durch die Resultate eines Experiments verletzt, folgt daraus, dass die Eigenschaften der Atome voneinander abhängen müssen. Man spricht dann von Bell-Korrelationen zwischen den Atomen. Diese haben auch zur Folge, dass jedes einzelne Atom seine Eigenschaften erst im Moment der Messung erhält – vor der Messung sind diese Eigenschaften nicht nur unbekannt, sondern sie existieren gar nicht.

Anzeige

Forscher um die Professoren Nicolas Sangouard und Philipp Treutlein von der Universität Basel haben zusammen mit Kollegen aus Singapur solche Bell-Korrelationen nun erstmals in relativ großen Systemen beobachtet, nämlich zwischen 480 Atomen eines Bose-Einstein-Kondensats. Frühere Experimente konnten Bell-Korrelationen mit höchstens 4 Lichtteilchen oder 14 Atomen nachweisen. Ihr Resultat bedeutet, dass die seltsamen Quanteneffekte auch in großen Systemen eine Rolle spielen können.

Große Anzahl miteinander wechselwirkender Teilchen
Um Bell-Korrelationen in einem Vielteilchensystem nachzuweisen, mussten die Forscher zunächst eine neue Methode entwickeln, die ohne eine Messung jedes einzelnen Teilchens auskommt, was jenseits der heutigen Möglichkeiten läge. Dies gelang ihnen mithilfe einer erst seit Kurzem bekannten Bell-Ungleichung.

Ihre Methode konnten die Basler Forscher direkt im Labor an kleinen Wolken aus ultrakalten Atomen ausprobieren, die durch Laserlicht auf wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Darin stoßen die Atome ständig zusammen, so dass sich ihre magnetischen Momente langsam miteinander verschränken. Wenn diese Verschränkung ein gewisses Maß erreicht hat, lassen sich Bell-Korrelationen nachweisen.

Autor Roman Schmied erklärt: „Man würde erwarten, dass zufällige Stöße bloß Unordnung verursachen. Doch dadurch werden die quantenmechanischen Eigenschaften der Atome so stark miteinander verknüpft, dass sie die klassische Statistik verletzen.“

Konkret wird zuerst jedes der Atome in eine quantenmechanische Überlagerung zweier Zustände gebracht. Nachdem die Atome dann durch Stöße miteinander verschränkt wurden, zählen die Forscher, wie viele der Atome nun tatsächlich in jedem der beiden Zustände sind. Diese Aufteilung schwankt von Versuch zu Versuch zufällig. Wenn nun diese Schwankungen unter eine bestimmte Schwelle fallen, scheint es, als ob die Atome miteinander eine „Abmachung“ getroffen hätten, wie das Messergebnis auszufallen habe; diese Abmachung beschreibt genau die Bell-Korrelationen.

Wissenschaftliches Neuland
Die vorgestellte Arbeit, die im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts Quantenwissenschaften und -technologie (NCCR QSIT) gefördert wurde, könnte neue Möglichkeiten in der Quantentechnologie erschließen, etwa um Zufallszahlen zu erzeugen oder um Daten abhörsicher zu übertragen. Außerdem öffnen sich neue Perspektiven für die Grundlagenforschung: „Bell-Korrelationen in Vielteilchensystemen sind ein weitgehend unerforschtes Gebiet und es ist noch nicht absehbar, was sich alles daraus entwickeln wird – wir betreten mit unseren Experimenten Neuland“, so Prof. Philipp Treutlein.

Originalbeitrag:
Roman Schmied, Jean-Daniel Bancal, Baptiste Allard, Matteo Fadel, Valerio Scarani, Philipp Treutlein, Nicolas Sangouard. Bell Correlations in a Bose-Einstein Condensate. Science (2016), DOI: 10.1126/science.aad8665.

Weitere Auskünfte:
Prof. Dr. Nicolas Sangouard
Universität Basel, Departement Physik, Theoretische Quantenoptik
E-Mail: nicolas.sangouard@unibas.ch

Prof. Dr. Philipp Treutlein
Universität Basel, Departement Physik, Experimentalphysik
E-Mail: philipp.treutlein@unibas.ch

Anzeige

Weitere Beiträge zum Thema

Atomgas

Grundlage für das Verständnis von SupraleitungPhysiker bestimmen Zustandsgleichung für ein Atomgas

Mit einem Laborexperiment ist es Physikern am Zentrum für Quantendynamik der Universität Heidelberg gelungen, die sogenannte Zustandsgleichung für ein Atomgas zu bestimmen.

…mehr
Atomchip

QuantenphysikVon guten und schlechten Quantenzuständen

Ein Trick aus der Quantentheorie macht es möglich, Quantenzustände aus tausenden Atomen zu beschreiben - mit herkömmlichen Methoden würde aller Speicherplatz der Welt dafür nicht ausreichen.

…mehr
Ein Bose-Einstein-Kondensat schlägt Wellen. (Copyright: TU Wien)

QuantenphysikLösungen finden, wenn alles mit allem zusammenhängt

Quantenobjekte kann man nicht einfach als Summe ihrer Einzelteile verstehen – das macht Quantenrechnungen oft extrem schwierig. An der TU Wien berechnet man nun Bose-Einstein-Kondensate, die ihre spannendsten Eigenschaften nur im Kollektiv preisgeben.

…mehr
Das philosophische Problem der Interpretation der Quantenmechanik steht u.a. im Fokus der Tagung „Shut up and Contemplate". (Copyright: Universität Wien / Barbara Mair)

Naturwissenschaft und PhilosophieVon Karl Popper zur Quantenmechanik

„ShutUpandContemplate!" lautet der Name eines Symposiums, das am 3. März an der Fakultät für Physik stattfindet und eine Verbindung zwischen der Naturwissenschaft und ihrem philosophischen und sozioökonomischen Kontext schaffen will.

…mehr
Schematische Darstellung eines aufgezeichneten Kollisionsereignisses mit zwei Lichtteilchen am ATLAS-Experiment vom 12. Dezember 2015. (Foto/©: ATLAS Collaboration)

Licht-an-Licht-StreuungPhotonen können miteinander kollidieren

Teilchenphysiker am Forschungszentrum CERN bei Genf haben eine 80 Jahre alte Annahme über die Streuung von Lichtteilchen an Lichtteilchen zum ersten Mal in Teilchenkollisionen experimentell beobachtet. So wurde bestätigt, dass die Lichtteilchen, genannt Photonen, wenn sie aufeinandertreffen, miteinander wechselwirken können.

…mehr

Neue Stellenanzeigen