Forschung

Phasenübergang mit nur sechs Atomen

14.12.2020 - Ausgehend von einzelnen, ultrakalten Atomen lässt sich die Entstehung eines Phasenübergangs beobachten.

Um effektive Theorien in der Physik formulieren zu können, vernachlässigt man mikroskopische Details zugunsten einer Beschreibung makroskopisch beobachtbarer Größen. Ein Phasen­übergang beschreibt den Wechsel eines makroskopischen Systems von einem Zustand der Materie in einen anderen. Diese Eigenschaften der makroskopischen Viel­teichen­systeme können als emergent bezeichnet werden: Sie ergeben sich erst aus dem Zusammen­wirken der Einzel­teile, die selbst diese Eigenschaften nicht aufweisen.
 

„Seit langem beschäftigt mich die Frage, wie diese dramatische makroskopische Veränderung bei einem Phasen­übergang aus der mikroskopischen Beschreibung entsteht“, sagt Selim Jochim vom Physikalischen Institut der Universität Heidelberg. Zur Beantwortung dieser Frage entwarfen die Forscher ein Experiment, bei dem sie ein System aus einzelnen, ultrakalten Atomen zusammen­gesetzt haben. Mithilfe dieses Quanten­simulators untersuchten sie, wie kollektives Verhalten in einem mikroskopischen System entsteht. 

Zu diesem Zweck wurden bis zu zwölf Atome in einem stark fokussierten Laser­strahl eingefangen. In diesem künstlichen System ist es möglich, die Stärke der Wechselwirkung zwischen den Atomen kontinuierlich über einen so großen Bereich zu verstellen, dass sie entweder komplett zu vernachlässigen oder die größte Energieskala im System ist. „Die Anzahl der Teilchen ist einerseits klein genug für eine mikroskopische Beschreibung des Systems. Andererseits zeigen sich hier schon kollektive Effekte“, erläutert Luca Bayha, Postdoktorand im Team von Jochim.

Die Heidelberger Physiker haben in ihrem Experiment den Quanten­simulator so konfiguriert, dass sich die Atome gegenseitig anziehen und bei starker Anziehung Paare bilden. Diese Atom-Paare sind der notwendige Bestandteil für einen Phasen­übergang zu einer Supraflüssigkeit – ein Zustand, bei dem Teilchen ohne Reibung strömen. Die Frage, wann es zu dieser Paarbildung in Abhängigkeit von der Stärke der Wechsel­wirkung sowie der Anzahl der Teilchen kommt, stand im Mittelpunkt der Untersuchungen. „Das überraschende Ergebnis unseres Experimentes ist, dass sich bereits mit sechs Atomen alle Anzeichen des Phasen­übergangs beobachten lassen, die für ein Vielteilchen-System erwartet werden“, so Marvin Holten, Doktorand in der Gruppe von Selim Jochim.

Profitiert haben die Forscher bei ihren Arbeiten vom Exzellenzcluster „Structures – A Unifying Approach to Emergent Phenomena in the Physical World, Mathematics, and Complex Data“ und dem Sonder­forschungs­bereich „ Isolierte Quantensysteme und Universalität unter extremen Bedingungen (Isoquant)“ der Universität Heidelberg. Entscheidend für das Gelingen der Experimente war die Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern von den Universitäten in Lund (Schweden) und Aarhus (Dänemark). 

U. Heidelberg / DE
 

Weitere Infos

Die nächste Generation der effizienten Lösung für die Gasanalyse von Pfeiffer Vacuum

OmniStar und ThermoStar sind kompakte Benchtop-Analysegeräte für Probengase die unter Atmosphärendruck vorliegen. Sie sind die perfekte Komplettlösung zur Gasanalyse, insbesondere bei chemischen Prozessen, in der Halbleiterindustrie,

Metallurgie, Fermentation, Katalyse, Gefriertrocknung und bei der Umweltanalyse. Die Analysesysteme bestehen aus Einlasssystem, Massenspektrometer PrismaPro, trocken verdichtender Membranvakuumpumpe MVP und Turbopumpe HiPace.

 

Pfeiffer Video

Erfahren Sie mehr über Analysegeräte

Newsletter

Die Physik in Ihrer Mailbox – abonnieren Sie hier kostenlos den pro-physik.de Newsletter!

Erleben Sie unsere neue HiScroll – die ölfreien Vakuumpumpen von Pfeiffer Vacuum

Die HiScroll Serie besteht aus drei ölfreien und hermetisch dichten Scrollpumpen mit einem nominellen Saugvermögen von 6 – 20 m³/h. Die Pumpen zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Leistung beim Evakuieren gegen Atmosphäre aus. Ihre leistungsstarken IPM*-Synchronmotoren erzielen einen bis zu 15% höheren Wirkungsgrad in Vergleich zu konventionellen Antrieben.

*Interior Permanent-Magnet

Pfeiffer HiScroll Pumpen Video

Erfahren Sie mehr über die neue HiScroll Vakuumpumpe

Elektromagnetik-Modellierung mit COMSOL in 18 Minuten

In diesem 18-minütigen WebSeminar lernen Sie die Grundlagen der Analyse elektromagnetischer Felder in Niederfrequenzanwendungen mit der COMSOL Multiphysics®-Software.

Mehr Informationen zum Webinar

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Da die erste virtuelle Jobbörse mit mehr als 1.500 Registrierungen und über 1.000 teilnehmenden Personen ein sehr großer Erfolg für Anbieter und Teilnehmende war, bieten die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) und der Verlag Wiley-VCH eine weitere virtuelle Jobbörse im Herbst an.

 

Mehr Informationen

Elektromagnetik-Modellierung mit COMSOL in 18 Minuten

In diesem 18-minütigen WebSeminar lernen Sie die Grundlagen der Analyse elektromagnetischer Felder in Niederfrequenzanwendungen mit der COMSOL Multiphysics®-Software.

Mehr Informationen zum Webinar

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Da die erste virtuelle Jobbörse mit mehr als 1.500 Registrierungen und über 1.000 teilnehmenden Personen ein sehr großer Erfolg für Anbieter und Teilnehmende war, bieten die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) und der Verlag Wiley-VCH eine weitere virtuelle Jobbörse im Herbst an.

 

Mehr Informationen