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Virtuelles Quantenlabor: Quantenphysik für jedermann

Terahertz-KalorimetrieWie sich Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

Hat Idee des Terahertz-Kalorimeters realisiert: Martina Havenith

Chemikerinnen und Chemiker der Ruhr-Universität Bochum haben eine neue Methode entwickelt, mit der sie Veränderungen in der Energie und Struktur von Wassermolekülen in der Umgebung gelöster Moleküle erfassen können. 

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Virtuelles QuantenlaborQuantenphysik für jedermann

Ein virtuelles Labor ermöglicht erstmals die spielerische Erkundung moderner Quantenphysik. Die neuartige Lernumgebung wurde an der Fakultät für Physik der Universität Wien in Zusammenarbeit mit Studierenden und SchülerInnen entwickelt und ist rechtzeitig zu Schulbeginn frei online verfügbar (http://interactive.quantumnano.at).

Gesamtansicht des interaktiven Quantenlabors. (Copyright: Gruppe Quantennanophysik, Universität Wien; Bild: Mathias Tomandl & Patrick Braun)

Moderne Wissenschaft für alle

Aktuelle Forschungsexperimente sind oft zu teuer und komplex, um sie für Lehrzwecke nachzubauen und einzusetzen. Die Herausforderung, moderne Wissenschaft dennoch allgemein zugänglich zu machen, hat nun das Team der Forschungsgruppe Quantennanophysik der Universität Wien rund um Markus Arndt gelöst.

Es wurden nun erstmals zwei Forschungslabore als vollständige, photorealistische Computersimulationen geschaffen, um SchülerInnen, Studierenden sowie der allgemeinen Öffentlichkeit einen virtuellen Zugang zu weltweit einmaligen Instrumenten zu ermöglichen. „Man könnte es als eine Art Flugsimulator der Quantenphysik bezeichnen", schmunzelt der Quantenphysiker Mathias Tomandl, der die wesentlichen Elemente dieser Simulation im Rahmen seiner Dissertation geschaffen hat.

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Die Quantenwelt Schritt für Schritt selber entdecken

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Ein Lernpfad führt dabei die BesucherInnen in die Welt delokalisierter komplexer Moleküle. Eine Reihe von Laboraufgaben und wichtige Hintergrundinformationen zum Verständnis der Experimente stehen bereit, um Schritt für Schritt in die Quantenwelt einzutauchen. Die Entwicklung der spielerisch aufbereiteten Software wurde zusammen mit SchülerInnen und Studierenden durchgeführt und über mehrere Entwicklungszyklen didaktisch begleitet. Das Lehrkonzept und die dazugehörigen Studien wurden nun im renommierten Fachjournal "Scientific Reports" veröffentlicht.

Der Welle-Teilchen Dualismus mit großen Molekülen

Die virtuellen Labore geben Einblick in fundamentale Einsichten und Anwendungen der Quantenmechanik mit Makromolekülen und Nanoteilchen. Dabei wurde in den vergangenen Jahren der Welle-Teilchen-Dualismus an den bis heute komplexesten Molekülen nachgewiesen. Diese Experimente können im virtuellen Labor mit Hilfestellungen nun erstmals frei zugänglich selbst (virtuell) durchgeführt werden.

Das Quantenlabor auf Tour durch Österreich

Derzeit kann eine Kurzversion des virtuellen Labors als interaktives Exponat im Rahmen der Sonderausstellung „Das Wissen der Dinge" im Naturhistorischen Museum Wien getestet werden. Im Rahmen der Wanderausstellung „Wirkungswechsel" des Science-Center-Netzwerks wird das virtuelle Quantenlabor an verschiedenen Standorten in Österreich verfügbar sein.

Publikation:
Simulated Interactive Research Experiments as Educational Tools for Advanced Science; Mathias Tomandl, Thomas Mieling, Christiane M. Losert-Valiente Kroon, Martin Hopf & Markus Arndt. Scientific Reports 5, 14108 (2015). DOI:10.1038/srep14108.

Weitere Informationen:
Video – interaktives Quantenlabor: https://www.youtube.com/watch?v=3vPSFotrmME


Wanderausstellung „Wirkungswechsel": http://www.wirkungswechsel.at/

Wissenschaftlicher Kontakt:
Univ.-Prof. Dr. Markus Arndt
Quantennanophysik und Molekulare Quantenoptik
Fakultät für Physik, Universität Wien
1090 Wien, Boltzmanngasse 5
markus.arndt@univie.ac.at
http://www.quantumnano.at

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