Posted in: Physik 17. Februar 2011 20:00 Weiter lesen →

Berührungsloses Quantenbillard

Foto zeigt schwarze Billardkugel allein auf dem Tisch, die "8" durch "He" ersetzt Atome und Moleküle verhalten sich nicht nur wie solide Teilchen, sondern auch wie Wellen. Eine verblüffende Demonstration dieses Prinzips ist Berliner Physikern gelungen. Bei ihren Versuchen wurden extrem fragile Heliummoleküle berührungsfrei – und damit zerstörungsfrei – an einer Oberfläche reflektiert, von der sie noch viele Moleküldurchmesser entfernt waren.

Foto: Andre B via Wikimedia.org (Creative Commons Attribution Share-Alike 3.0 Unported)

Damit nicht genug, befanden sich die Moleküle zu diesem Zeitpunkt in einem Abstand von der Oberfläche, in dem sie von dieser sogar angezogen wurden. Umso besser verdeutlichten die Resultate „die ganz besondere Natur eines quantenmechanischen Impakts“, schreiben die Forscher um Wieland Schöllkopf vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft im Magazin „Science“.

Schöllkopf und Kollegen nutzten für ihre Versuche einen Strahl extrem kalten Heliums, den sie auf ein Reflexionsgitter richteten, ein Glasplättchen mit feinen Furchen. Normalerweise sind Heliumatome strikte Einzelgänger. In ihrem energiearmen Zustand bildete ein Teil der Atome jedoch im Flug kleine Gruppen, zusammengehalten nur durch eine Polarisierung der Elektronenhüllen.

Unter welchem Winkel die Teilchen an dem Gitter reflektiert werden, hängt letztlich von ihrer Masse ab – einzelne Atome und intakte Moleküle werden daher in leicht unterschiedliche Richtungen gelenkt. Tatsächlich schlug der Detektor der Physiker auch bei jenen Reflexionswinkeln an, bei denen vorrangig Moleküle aus zwei oder sogar drei Heliumatomen zu erwarten waren. Offenbar hatten die zerbrechlichen Atomgrüppchen die Begegnung mit dem Gitter problemlos überstanden, konnten dieses also gar nicht erst „berührt“ haben.

Erklären lässt sich dieses Verhalten nur aus der Perspektive der Quantenmechanik. Atome und Moleküle, grundsätzlich aber auch größere Objekte, verhalten sich demnach zugleich wie Teilchen und wie Wellen. Läuft ein solcher Wellenzug auf eine Oberfläche zu, kann er, sobald sein Anfang und sein Ende eine deutlich unterschiedliche Kraft spüren, jäh seine Bewegungsrichtung ändern. Diese Quantenreflexion ist umso ausgeprägter, je energieärmer und damit langwelliger das Objekt ist.

Forschung: Bum Suk Zhao, Gerard Meijer und Wieland Schöllkopf, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin

Veröffentlichung Science, Vol. 331, 18. Februar 2011, pp 892-4, DOI 10.1126/science.1200911

WWW:
AG Wieland Schöllkopf, Fritz-Haber-Institut
Quantum Reflection
The Quantised World: Waves or Particles?


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