Quantenphysik

Im Bohrschen Atommodell kreisen die Elektronen wie Planeten um den Atomkern. In der Quantenphysik ändert sich das Bild dramatisch: Elektronen sind nicht länger Teilchen mit definiertem Ort und definierter Geschwindigkeit, sondern treten als "Wellenfunktion", als komplexe Wahrscheinlichkeitsverteilung in Erscheinung. Die Computergrafik zeigt die Wellenfunktion eines Elektrons im Wasserstoffatom. Elektronen können im Atom unterschiedliche Energiezustände einnehmen. Je höher ihre Energie, desto komplizierter die dazugehörige Wellenfunktion. Die Abbildung entspricht einem Elektron im Quantenzustand n₁ = 6, n₂ = 7, m = 2.

Quelle: B.Thaller, Universität Graz

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Auf das Elektron des durch einen Attosekunden-Blitz angeregten Neonatoms wirkt die sich zeitlich verändernde Kraft eines roten Laserpulses ein. Diese Kraft muss zur elektrischen Kraft addiert werden, die das Elektron an das Atom gebunden hält. Die Summe ergibt seitlich abgeflachte Potentialwälle, durch die das Elektron leichter tunneln kann (A). Aufgrund der Form des roten Laserpulses erhöht sich die Wahrscheinlichkeit für das Tunneln stufenweise (B).

© Welt der Physik

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Abb. 6: Glaszelle mit dem Münchner "Atomchip" (verspiegelte Fläche). Während des Betriebs ist die Zelle evakuiert.

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Cluster aus 55 Goldatomen (1,4 nm)

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"Geistesblitz": Heisenberg kurierte im Frühjahr 1925 einen Anfall von "Heufieber" auf der Insel Helgoland aus. Nachdem er mehrere Tage damit zugebracht hatte, auf den Klippen herumzuklettern, über Physik nachzudenken und Gedichte aus Goethes West-Östlichem Divan auswendig zu lernen, kam eines nachts um drei der Geistesblitz: "Ich hatte das Gefühl, durch die Oberfläche der atomaren Erscheinungen hindurch auf einen tief darunter liegenden Grund von merkwürdiger innerer Schönheit zu schauen (...) ich war so erregt, dass ich an Schlaf nicht denken konnte." So erwartete er auf der Spitze eines ins Meer hineinragenden Felsenturmes den Sonnenaufgang. Seit Juni 2000 erinnert daran sogar ein Gedenkstein auf der Insel.
(Foto Helgoland: Lilo Taddy)

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Aufbau eines Emitters von einzelnen Photonen oder Photonenpaaren. Das Design des Strompfades (grün) sorgt dafür, dass nur ein einzelner Quantenpunkt (gelb) elektrisch angesprochen wird.

© Dirk Günther/Grafik Design/Welt der Physik
von: Dirk Günther
Quelle: Grafik Design

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Abb. 1: Materiewellen-Interferenzmuster eines Quantengases, das in einem dreidimensionalen Lichtgitter mit mehr als 100000 besetzten Gitterplätzen gespeichert wurde. Die Abbildungen von links nach rechts: Interferenzmuster mit hohem Kontrast im superfluiden Regime eines Bose-Einstein-Kondensats; Interferenzmuster nach einem Quantenphasenübergang in einen Mott-Isolator ohne Phasenkohärenz; wiederhergestellte Phasenkohärenz nach einem Quantenphasenübergang von einem Mott-Isolator zurück in ein Bose-Einstein-Kondensat.

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Auch von Deutschland aus werden Laserstrahlen auf den Mond geschossen. Das Lasersystem der Fundamentalstation Wettzell im Bayerischen Wald visiert den Spiegel auf dem Mond an, um die Bahn des Erdtrabanten genau zu vermessen.

Quelle: Bilderberg

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Max von Laue in seinem Auto

Quelle: Archiv zur Geschichte der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin-Dahlem

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Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle, Carl E. Wieman

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Laserstrahlen, aufgefächert durch ein mikroskopisches Gitter.
(Quelle: Institut für Neue Materialien / VDI-TZ)

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Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer linienartiger Defektstruktur in makroporösem Silizium. Durch Kombination von Punktdefekten lassen sich Funktionselemente wie z. B. der hier dargestellte Resonator verwirklichen (U. Gösele, MPI für Mikrostukturphysik, Halle; Infineon Technologies).

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Schema einer linearen Ionenfalle. Eine Kette von Ionen wird von elektrischen Wechselfeldern und den Feldern der Endringe festgehalten, ähnlich wie in einer Paul-Falle. Die Ionen können einzeln mit Lasern manipuliert werden und wechselwirken untereinander aufgrund ihrer gegenseitigen elektrostatischen Abstoßung. In dieser Darstellung wurde eine echte Messung von gefangenen Kalziumionen - stark vergrößert - in das Schema der Falle kopiert.

Quelle: F. Schmidt-Kaler und R. Blatt, Universität Innsbruck

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Blick auf das Licht aus einem nichtlinearen Kristall (Falschfarbenaufnahme): Das Licht unterschiedlicher Frequenz breitet sich kegelförmig aus. In Betrachtungsrichtung von vorne sieht man deshalb unterschiedliche Ringe. Das Photonenpaar aus dem Überlappungsbereich zweier gleichfarbiger Ringe liegt in einem verschränkten Zustand vor. ( M. Reck und P. G. Kwiat, Universität Wien)

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Interferenz. Wenn parallele Wasserwellen auf eine Wand mit zwei Löchern treffen, überlagern sich auf der anderen Seite der Wand zwei halbkreisförmige Wellen zu einem Interferenzmuster. Treffen zwei Wellenberge oder -täler zusammen, so verstärken sie sich gegenseitig. Ein Berg und ein Tal löschen sich dagegen aus. Dieses Phänomen lässt sich auch bei Licht- und Materiewellen beobachten. (Grafik: J. Mair/iser und schmidt)

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Atomuhr der neuesten Generation. Hier spielt nicht nur Mikrowellen-, sondern auch Laserstrahlung eine Rolle. Die Bewegungsenergie der Cäsium-Atome wird durch das Verfahren der Laserkühlung reduziert. Eine solche Uhr geht weniger als eine Sekunde in 10 Millionen Jahren fehl. (Quelle: PTB)

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Modell eines blaue emittierenden Kantenemitters (links) und einer Gruppe von vertikal emittierenden Lasern (rechts).

© Dieter Bimberg , Sven Roth, Institut für Festkörperphysik, Technische Universität
von: Dieter Bimberg / Sven Roth
Quelle: Institut für Festkörperphysik, Technische Universität Berlin

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Der Weltraum: unendliche Weiten. Ob sich das Beamen "die wohl eleganteste aller Reisemöglichkeiten" doch irgendwann durchsetzen wird, steht in den Sternen.

von: Stefanie Juras
Quelle: iser und schmidt

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Ein ganz besonderer Katzenbaum. Nach der Viele-Welten-Theorie muss sich ein quantenmechanisches Objekt nicht für ein Messergebnis "entscheiden" - das Universum spaltet sich vielmehr in so viele Kopien auf, dass jedes mögliche Ergebnis realisiert werden kann. Bei Schrödingers Experiment mit der Katze gibt es nur zwei Möglichkeiten: "Katze tot" oder "Katze lebendig". Wiederholt man dieses Experiment immer wieder und in allen Universen, so erhält man einen "Baum" mit fast unendlich vielen Verzweigungen.
(Illustrationen: Stefanie Juras, iser und schmidt)

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Die Strahlung, deren Frequenz gemessen werden soll, wird mit der Strahlung eines Frequenzkammes überlagert. Das Ergebnis kann mit herkömmlichen Techniken vermessen werden und lässt Rückschlüsse auf die ursprüngliche Frequenz zu.

von: Dirk Rathje
Quelle: www.weltderphysik.de

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Abstandsmessung Erde - Mond mit Hilfe eines Laserstrahls. Ein kleiner Spiegel auf dem Mond wirft den Laser zurück. Da die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, können die Forscher von der Laufzeit auf die Entferung schließen. (Grafik: I&P)

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Abb. 1. Oben: Klassische Bits (links) können nur die Werte "0" oder "1" annehmen. Bei einer Rechenoperation können sie diese Werte entweder behalten oder ändern. Quantenbits können in einer Überlagerung von "0" und "1" gleichzeitig vorliegen. Nach einer Rechenoperation ist das Ergebnis eine komplizierte Überlagerung aller möglichen Ausgabebits in Abhängigkeit von den Eingabebits. Unten: Eine sichere Datenübertragung kann in der Quantenkryptographie erreicht werden, wenn Alice (A) und Bob (B) ihre Information mit einem Schlüssel kodieren, den sie über einen Quantenkanal austauschen. Der Spion Eve (E) kann diesen Schlüssel nicht abhören, ohne dass Alice und Bob dies merken. (Oliver Benson, Universität Konstanz)

Quelle: Oliver Benson, Universität Konstanz

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Verschränkte Photonen sichtbar gemacht. Diese Aufnahme (in Falschfarben) zeigt Licht aus einem Kristall, in dem Photonenpaare erzeugt werden. Dabei entsteht Licht in unterschiedlichen Frequenzen, das sich kegelförmig ausbreitet. Von vorne sieht man deshalb verschiedene Ringe. Ein Photonenpaar, das die Überlappungsstelle zweier gleichfarbiger Ringe auf dem Film der Kamera erzeugt hat, lag in einem verschränkten Zustand vor.

Quelle: Paul Kwiat und Michael Reck, Institut für Experimentalphysik, Universität Wien

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Fünfter Solvay-Kongress in Brüssel, 1927. Vordere Reihe (v.l.n.r.): I. Langmuir, M. Planck, M. Curie, H.A. Lorentz, A. Einstein, P. Langevin, C.E. Guye, C.T.R. Wilson, O.W. Richardson. Mittlere Reihe: P. Debye, M. Knudsen, W.L. Bragg, H.A. Kramers, P.A.M. Dirac, A.H. Compton, L. de Broglie, M. Born, N. Bohr. Hintere Reihe: A. Piccard, E. Henriot, P. Ehrenfest, E. Herzen, T. de Donder, E. Schrödinger, E. Verschaffelt, W. Pauli, W. Heisenberg, R.H. Fowler, L. Brillouin (Quelle: Solvay-Institut, Brüssel)

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Bose-Einstein-Kondensat und Atomlaser
Über der Fläche, auf der sich die Atome befinden, ist die Dichte ihrer Verteilung auf dieser Fläche aufgetragen. Alle Atome sitzen in einem eng begrenzten Gebiet - dort ist die Dichte sehr hoch (Säule mit roter Spitze). Mit Hilfe von Radiowellen werden Atome aus diesem Bose-Einstein-Kondensat herausgelöst. Sie bilden einen kontinuierlichen Strahl. Er ist als Keil zu sehen, der über die Ebene verläuft. (Quelle: MPI für Quantenoptik)

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Spannungsverteilung in einem zweidimensionalen Elektronengas ohne (oben) und mit Magnetfeld (Mitte: 7 Tesla; unten: 10 Tesla), sichtbar gemacht mit Hilfe eines am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart entwickelten optischen Verfahrens. Die Form der Heterostruktur ist in Umrissen zu erkennen. Der Strom fließt horizontal, die Hall-Spannung wird quer zum Strom an den als Ausbuchtungen erkennbaren Kontakten abgenommen. (MPI für Festkörperforschung, Stuttgart)

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Mit Hilfe eines sogenannten Pulsformers (rechte Bildseite) werden speziell geformte Laserpulse erzeugt (gezeigt ist ein Beispiel für eine komplexe Pulsstruktur), die in einem Molekülstrahl chemische Reaktionen auslösen. Ein Optimierungsverfahren, dem das Evolutionsprinzip zu Grunde liegt, verbessert diese Pulsformen sukzessive so lange, bis die chemische Reaktion genau nach Wunsch abläuft. (Gustav Gerber, Universität Würzburg)

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Handarbeit: Der griechische Physiker Paris Tzallas überprüft die Attosekunden-Anlage am Max-Planck- Institut für Quantenoptik in Garching. (Foto: MPI FÜR QUANTENOPTIK)

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Werner Heisenberg

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Verdeutlichung der Länge eines Femtosekunden-Laserpulses anhand unterschiedlicher Zeitskalen.

Quelle: Markus Oberthaler, Universität Konstanz

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Über eine Linse wird ein Laserstrahl in eine Flüssigkeit fokussiert und steuert dort eine chemische Reaktion. (Quelle: Inst. für Experimentalphysik I, Uni Würzburg / Philip Morris)

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Experimentelle Ergebnisse für den Magnetowiderstand und den Hall-Widerstand einer zweidimensionalen Elektronenschicht in einer Aluminium-Gallium-Heterostruktur. Die zahlreichen ausgeprägten Details in den dargestellten Widerstandskurven sind Anzeichen für neue Vielteilchenzustände. (H. Störmer, Columbia University)

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Dopplereffekt: Der Sender in Ruhe strahlt grünes Licht aus. Bewegt er sich, verändert sich die Wellenlänge und damit auch die Farbe. In der Bewegungsrichtung werden die Wellen gestaucht, auf der anderen Seite auseinander gezogen. (Grafik: I&P)

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Max Planck

Quelle: Archiv zur Geschichte der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin-Dahlem

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Eine Rechenoperation im Quantengatter: Ein Radiopuls hat zuerst die Atome im gemischten blauroten Zustand präpariert (a). Das Laserlicht verschiebt die Atome nun zugleich nach rechts und links (b), wo sie mit Atomen auf den Nachbarplätzen im Gatter zusammenstoßen (c). Dabei verschränken sich ihre Quantenzustände. Am Schluss rückt das Laserlicht die Atome wieder zurück auf ihre alten Plätze, wobei sie den verschränkten Zustand mitnehmen (d).

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Original - verschlüsselt - entschlüsselt

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Der Quanten-Hall-Effekt und eine seiner Anwendungen. Links: ein experimentelles Ergebnis. Die elektrischen Eigenschaften eines "zweidimensionalen Elektronengases" in einem Magnetfeld ändern sich mit der Magnetfeldstärke in auffälliger Weise. Während der "Längswiderstand" oder Magnetowiderstand bei bestimmten Feldstärken verschwindet, weist der "Hall-Widerstand" dort Plateaus auf. Rechts: ein mit Hilfe des Quanten-Hall-Effekts geeichtes konventionelles Widerstandsnormal. (MPI für Festkörperforschung, Stuttgart)

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Foto eines Computer Mikro-Chip.

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Transistor

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Gerhard Rempe erläutert den Aufbau einer magnetooptischen Falle. Sie fängt Rubidiumatome ein und kühlt sie für die Erzeugung von Kondensaten vor, wie in Abb. 1 und 2 gezeigt wird.

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Trifft kurzwelliges Licht auf eine Metalloberfläche, kann es dort Elektronen freisetzen. Deren Anzahl ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichts. Dies lässt sich mit der Teilchennatur des Lichts erklären: Jedes freigesetzte Elektron hat genau ein Lichtteilchen ("Photon") absorbiert. Das Licht wirkt also in diesem Fall wie ein Strom winziger Gewehrkugeln, die Elektronen aus dem Metall herausschlagen. Albert
Einstein formulierte auf Grund dieses so genannten Photoeffekts die Idee der "Lichtquanten". Der Photoeffekt findet zum Beispiel in Solarzellen aus Silizium Anwendung, wo das Sonnenlicht im Material Elektronen auslöst, die schließlich einen Stromfluss bewirken. (Quelle: Siemens)

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Schematische Darstellung der selbstorganisierten Entstehung von Quantenpunkten im Stranski-Krastanow-Wachstumsmodus. 1: Substrat; 2: Zuerst bildet sich eine geschlossene Schicht der aufgewachsenen Atome; 3: Weitere aufgewachsene Atome formieren sich zu Quantenpunkten; 4: Die Quantenpunkte werden überwachsen.

© Dirk Günther/Grafik Design/Welt der Physik
von: Dirk Günther
Quelle: Grafik Design

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Maria Goeppert-Mayer

Quelle: Süddeutscher Verlag - Bilderdienst

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Quelle: Rudolf A. Römer und Frank Milde, Institut für Physik, TU Chemnitz

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Ein zentraler Versuch in der Quantenphysik ist das so genannte Doppelspalt-Experiment. Es entspricht ziemlich genau dem "Torwandschießen" in unserer Alltagswelt - nur mit sehr merkwürdigem Versuchsausgang. (Illustration: Stefanie Juras, Iser & Putscher)

von: Stefanie Juras, Iser & Putscher

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Ein- und Ausbrechern jeglicher Art käme der Tunneleffekt sehr gelegen - doch in der Praxis kommt der nur bei Elektronen und anderen mikroskopischen Teilchen vor. (Illustration: Stefanie Juras, iser und schmidt)

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"Ob etwas, worüber man nichts wissen kann, doch existiert, darüber soll man sich ... doch wohl ebensowenig den Kopf zerbrechen, wie über die alte Frage, wieviele Engel auf einer Nadelspitze sitzen können", meinte Wolfgang Pauli. Demnach würde sich die Frage nach einer "wahren Realität" hinter der Quantentheorie erübrigen.

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Das grüne Licht des "Pumplasers" versorgt den Femtosekundenlaser, dessen Titan-Saphir-Kristall im Vakuumtopf (Mitte) rot aufblitzt. (Foto: MPI FÜR QUANTENOPTIK)

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Eisenbahn, die durch den quantenmechanischen Effekt der "Supraleitung" berührungslos an einer Magnetschiene haftet.

Quelle: IFW Dresden, iser und schmidt

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Das Verfahren der Laserkühlung. Das gezeigte Atom hat eine Geschwindigkeitskomponente entgegen der Einstrahlungsrichtung des Lasers (a). Durch den Trick mit dem Dopplereffekt kann es deshalb die Photonen des Lasers aufnehmen - es wird angeregt. Durch den bei der Aufnahme der Photonen entstehenden Stoß wird das Atom abgebremst und damit gekühlt. Die anschließende Abgabe der eingestrahlten Photonen geschieht regellos und bewirkt deshalb im Mittel keine zusätzliche Beschleunigung (b). Der Prozess der Aufnahme und Abgabe der Laserphotonen muss viele Male und aus unterschiedlichen Raumrichtungen erfolgen, bis das Atom schließlich fast zum Stillstand gekommen ist. (Grafik: I&P)

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Werner Heisenberg (links) mit Niels Bohr im Kopenhagener Institut
(Quelle: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Foto: Paul Ehrenfest Jun.)

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Direkte Vermessung der Länge des Röntgenpulses: Ein zweiteiliger Präzisionsspiegel (gelb) reflektiert die von rechts oben einfallenden Attosekundenpulse (blau) in einen Strahl von Heliumatomen (grün). Dabei trennt er die Pulse in zwei nebeneinander laufende Teile und verschiebt diese gegeneinander. Beim Auftreffen auf die Heliumatome überlagern sich die Teilpulse wieder und erzeugen mit je zwei Lichtquanten ein Heliumion (rot), das der Detektor (links) registriert. (Illustration: ROHRER)

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"Tag und Nacht", M. C. Escher, 1939. Tag und Nacht, Hell und Dunkel sind zwei Seiten einer Medaille. In der Quantenphysik spricht man von Komplementarität: Zwei Gegensätze, die sich aber gegenseitig bedingen. (© Photo: 2001 Cordon Art B.V.-Baarn, Holland. All rights reserved)

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Abb. 5: Ein Atomlaserstrahl ist in einem magnetischen Resonator gefangen und läuft darin hin und her. Die elliptische Wolke in der Mitte der Bilder ist das BEC.

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Johannes Schuster (rechts) und Andreas Marte aus der Arbeitsgruppe von Gerhard Rempe bei der Justage ihres Experiments zur Erzeugung von Bose-Einstein- Kondensaten. Der Bildschirm zeigt in Falschfarben-Darstellung typische "Absorptionsaufnahmen" von Kondensaten.

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Ein Fußballmolekül aus 60 Kohlenstoffatomen.

Quelle: Rice University

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Abb. 2: Eine kalte Wolke aus 200 Milliarden Rubidiumatomen leuchtet im Laserlicht einer MOT.

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Ein Gas aus Rubidium-Atomen wird in einer Ultrahochvakuum-Kammer mittels sogenannter Laserkühlung auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. (Quelle: MPI für Quantenoptik/Philip Morris)

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Wir können die Erzeugung virtueller Teilchen-Antiteilchen-Paare mit unterschiedlich großen Raketen eines Feuerwerks vergleichen, wobei jede explodierende Rakete umso kürzer leuchtet, je heller sie ist.

von: Andreas Schäfer
Quelle: Andreas Schäfer

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Glühende Körper, wie hier in einem Stahlwalzwerk, leuchten je nach Temperatur in unterschiedlichen Farben. Die Untersuchung dieses Phänomens führte zur Entwick-lung der Quantentheorie.

Quelle: Siemens

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Schrödingers Katze. In diesem berühmten Gedankenexperiment befindet sich eine Katze zusammen mit einem radioaktiven Präparat in einer Kiste. Zur Vereinfachung nimmt man an, dass tatsächlich nur ein radioaktives Atom vorhanden ist. Zerfällt das Atom, wird dies in einem Geigerzähler registriert, der wiederum einen Hammer in Bewegung setzt, der eine Giftflasche zerschlägt - die Katze stirbt. Sinn dieser ganzen "Höllenmaschine" ist, ein Objekt aus unserer Alltagswelt (die Katze) an ein quantenmechanisches System (das Atom) zu koppeln. Das Nachdenken über die paradoxe Situation, die sich dabei ergibt, vermittelt neue Einsichten in die Merkwürdigkeiten der Quantenwelt. (Illustration: Stefanie Juras, iser und schmidt)

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Der deutsche Chemiker Kekulé war auf der Suche nach der Struktur des Benzols, als er im Traum eine Kette von Kohlenstoffmolekülen tanzen sah, die sich plötzlich zu einem Ring schloss. Der Psychoanalytiker C. G. Jung erkannte darin eine Eingabe des Unterbewusstseins durch eine Verbindung zu einem archetypischen Symbol: einer Schlange, die sich in den Schwanz beißt. (Illustration: Stefanie Juras, iser und schmidt)

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Glühlampe

Quelle: Osram

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Schrödingers Katze
In einer verschlossenen Kiste befindet sich eine Katze zusammen mit einem radioaktiven Atom und einem Fläschchen Gift. Zerfällt das Atom, löst dies einen Mechanismus aus, der die Flasche zerschlägt; die Katze atmet die Giftdämpfe ein und stirbt. Nach der Quantentheorie gibt es zwar eine statistische Wahrscheinlichkeit für den Zerfall des Atoms, wann es aber tatsächlich zerfällt, ist vollkommen dem Zufall überlassen. Wäre auch die an dieses System gekoppelte Katze ein quantenmechanisches Objekt, so wäre auch der Zustand der Katze ungewiss. Solange man die Kiste nicht öffnet, also eine Messung vornimmt, weiß man nicht, ob die Katze noch lebt oder schon tot ist. Nach den Regeln der Quantenmechanik wäre die Katze bis zum Öffnen der Kiste weder tot noch lebendig, sondern eine "Überlagerung" der beiden Zustände "Katze tot" und "Katze lebendig". Erst wenn der Beobachter hineinschaut, müsste sie sich für einen Zustand "entscheiden". In der normalen Welt mit richtigen Katzen ist das natürlich nicht so. Deshalb ist "Schrödingers Katze" zum Glück ein rein gedanklicher Tierversuch geblieben.

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Das Diagramm zeigt verschiedene Intensitäten zweier Zustände (gerade [g] und ungerade [u] Symmetrie) in Abhängigkeit vom Impuls der Photoelektronen. Die experimentellen Daten passen vortrefflich zur Modellrechnung, auf die Cohen und Fano (CF) als erste hingewiesen haben. Das Ergebnis ist eine klare Bestätigung der Quantenfernbeziehungen in der Quantentheorie, diesmal jedoch für die lange Zeit ignorierten kontinuierlichen Variablen Ort und Impuls.

© Zimmermann et. al. / KFS-Studie 2009
von: Zimmermann et. al.
Quelle: KFS-Studie 2009

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Prinzip der Spektroskopie
Beim Durchgang eines Lichtstrahls durch ein Gas oder eine Flüssigkeit
absorbieren die darin vorhandenen Atome oder Moleküle ganz bestimmte Wellenlängen. Sie verändern damit den Lichtstrahl auf eine Weise, die charakteristisch ist für den jeweiligen Stoff. Der Vergleich mit dem unbeeinflussten Strahl ergibt das Absorbtionsspektrum,
bei dem die Stärke der Absorbtion gegen die Wellenlänge aufgetragen ist. Spiegel zur Umlenkung der Lichtstrahlen wurden in dieser schematischen Zeichnung weggelassen.

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Modell eines optischen Verstärkers, der in ein Glasfasernetz eingebunden ist.

© Dieter Bimberg, Sven Roth, Institut für Festkörperphysik, Technische Universität
von: Dieter Bimberg / Sven Roth
Quelle: Institut für Festkörperphysik, Technische Universität Berlin

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Aufbau eines Quantenpunktspeichers, dessen Bit-Wert über ein 2D-Ladungsträgergas (2DEG) ausgelesen wird. Der Ladungszustand der Quantenpunkte wird mit Hilfe des Gates (Gatters) eingestellt und durch eine Strommessung zwischen Source (Quelle) und Drain (Senke) bestimmt.

© Dirk Günther/Grafik Design/Welt der Physik
von: Dirk Günther
Quelle: Grafik Design

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Prinzip der Interferometrie
Der Laserstrahl wird in zwei Teilstrahlen zerlegt. Nach Reflexion am Hilfsspiegel bzw. am beweglichen Messspiegel werden die beiden Strahlen wieder gebündelt und in einem Photodetektor zusammengeführt. Hat sich der Messspiegel verschoben, ergibt sich ein Wegunterschied der Strahlen, der dazu führt, dass eine Phasenverschiebung zwischen beiden auftritt. Die durch die Interferenz der zwei Laserstrahlen entstehenden hell-dunkel-Wechsel werden vom Photodetektor registriert. Der Zähler stellt die Anzahl der Wechsel fest - der angeschlossene Rechner bestimmt daraus die Wegänderung des Messspiegels. (Grafiken: I&P)

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Links: Atome in einem Gas, in das Energie gepumpt wurde. Die dadurch angeregten Atome sind grün, die mit niedriger Energie silbern dargestellt. Geht ein Atom von einem angeregten Zustand in einen mit geringerer Energie über, so sendet es ein Photon aus. In welche Richtung des Photon fliegt, ist hier dem Zufall überlassen.

Rechts: Laserprinzip der stimulierten Emission. Die an den seitlichen Spiegeln reflektierten Photonen veranlassen angeregte Atome (grün), ein Photon in der gleichen Richtung und Phase wie das einfallende auszusenden. Die neu entstandenen Photonen treffen dann wieder auf andere angeregte Atome - ein Lawineneffekt entsteht. (Grafiken: I&P)

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Abb. 1: Schematisch vereinfachte Darstellung einer magnetooptischen Falle (MOT).

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Ein Experiment mit verschränkten Photonen. Mit speziellen Lasern lassen sich Kristalle so anregen, dass sie Photonenpaare abstrahlen. Das Bild zeigt Fluoreszenslicht aus einem solchen Kristall in Falschfarben. Die Ringe einer Farbe werden jeweils durch viele Photonenpaare erzeugt, die auf den Film der Kamera treffen. Jedes Photonenpaar trägt zur Entstehung des rechten und des linken Rings bei. In den Schnittpunkten der Kreise ist jedes Photonenpaar "verschränkt": wird an dem einen Photon etwas verändert, so reagiert darauf das zweite Photon - und zwar augenblicklich, ohne Rücksicht auf die Einschränkung durch die Lichtgeschwindigkeit. (Quelle: Institut für Experimentalphysik, Uni Wien)

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Der mit Hilfe von Radiowellen "angebohrte" magnetische Käfig lässt Rubidiumatome als Materiewellenstrahl entkommen. (Quelle: MPI für Quantenoptik/ Philip Morris)

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Abb. 2: Ein Quantenphasenübergang in einem ultrakalten Gas. Durch überlagerte Laserstrahlen wird ein optisches Gitter erzeugt, das ein Potenzialgebirge mit Bergen und Tälern formt. Das Gas aus Rubidium- Atomen kann reversibel zwischen der superfluiden und der Isolator-Phase hin- und hergeschaltet werden. a) Bei einer Temperatur von wenigen Nanokelvin befinden sich alle Atome im selben Quantenzustand und bilden eine superfluide Phase, in der sie frei zwischen den Tälern wechseln können. b) Wenn man die Intensität der Laserstrahlen im optischen Gitter erhöht, geht das Gas in eine isolierende Phase über, bei der jedes Atom an einem eigenen Gitterplatz "gefangen" ist. Eine solche Kontrollmöglichkeit ist wesentlich für die Verwirklichung eines Quantencomputers.

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Bei der ersten Mondlandung ließen die Astronauten Armstrong und Aldrin etwas liegen: einen Spiegel, der aus rund 100 Katzenaugen besteht.

Quelle: NASA

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Im Labor kommen ultrakurze Pulse aus Röntgenlicht in Fahrt: Die Pulse entstehen im Kasten vorne rechts und rasen durch das Vakuumrohr in der Bildmitte zur Messkammer links im Hintergrund. (Foto: MPI FÜR QUANTENOPTIK)

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Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines photonischen Kristalls aus makroporösem Silizium.  Elektromagnetische Wellen in einem Wellenlängenbereich zwischen 3 und 5 Mikrometer können sich senkrecht zu den Poren nicht ausbreiten. Derzeit arbeitet man an der nächsten Generation solcher Kristalle, in denen die Lichtausbreitung bei dem für die Telekommunikation besonders wichtigen Wellenlängenbereich um 1,55 Mikrometer unterdrückt wird. (U. Gösele, MPI für Mikrostukturphysik, Halle; Infineon Technologies).

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"Andere Welt II", M. C. Escher, 1947. In M. C. Eschers Bild existieren drei scheinbar identische Welten nebeneinander. Drei Kopien eines rätselhaften Wesens sind zu sehen, die offenbar nichts voneinander mitbekommen. Eine Interpretation der Quantentheorie geht davon aus, dass weit mehr als drei, nämlich fast unendlich viele Welten parallel zueinander bestehen.(© Photo: 2001 Cordon Art B.V.-Baarn, Holland. All rights reserved)

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In den Vakuum-Kammern dieser Apparatur werden mittels eingekoppelter Laserpulse chemische Reaktionen in einem Gas ausgelöst. (Quelle: Inst. für Experimentalphysik I, Uni Würzburg / Philip Morris)

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Abb. 3: "Absorptionsbilder" zeigen die Entstehung eines Bose-Einstein-Kondensats (BEC). Von links nach rechts sinkt die Temperatur und ein spitzer "Berg" bildet sich: Die Atome rücken immer dichter zusammen und kondensieren.

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Garchinger Max-Planck-Institut für Quantenoptik dringen Physiker in das zeitliche "Nichts" ein: Mit dem Laser - hier der Blick auf eine Verstärkerstufe - erzeugen sie Attosekunden-Lichtpulse. (Foto: FELIX BRANDL)

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Drei fundamentale Eigenschaften der Quantenwelt: (A) Der Welle-Teilchen- Dualismus besagt, dass Quantenteilchen sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften zeigen. (B) Laut Superpositionsprinzip können verschiedene Quantenzustände zu einem neuen Zustand überlagert werden, der dann mehrere, u. U. entgegengesetzte Eigenschaften gleichzeitig besitzt. Die Überlagerung ist hier durch das Pluszeichen zwischen zwei verschiedenen Ausrichtungen des Spins angedeutet. (C) Verschränkte Zustände sind Superposition von mehreren Teilchen, wobei nur der Gesamtheit der Teilchen eine Eigenschaft zugeschrieben werden kann. Für die einzelnen Teilchen ist diese Eigenschaft nicht festgelegt. (Achim Peters, Universität Konstanz)

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Abb. 8: Grafik des experimentellen Aufbaus. In sie sind Kamerabilder des BEC in Falschfarben-Darstellung einmontiert (Wolken mit rotem Kern auf der blauen Fläche). Diese "Schnappschüsse" zeigen den Ablauf eines Experiments.

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Im Wellenbild ist das Licht eine elektromagnetische Welle, deren Schwingungsebene in eine bestimmte Richtung zeigt. Diese läßt sich leicht mit einem Polarisationsfilter (z. B. einem "Pol-Filter" eines Fotoapparates) herausfinden. Er wirkt wie ein sehr feines Gitter, das die Lichtwelle nur durchqueren kann, wenn ihre Schwingungsebene parallel zu den "Gitterstäben" des Polarisationsfilters ausgerichtet ist. Geht man vom Wellen- ins Teilchenbild über, sprechen die Physiker ebenfalls von einer bestimmten Polarisationsrichtung eines Photons (Lichtteilchens).
(Grafik: iser und schmidt)

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Die neue Laser-Fernerkundungsmethode (LIDAR) beruht auf der starken nichtlinearen Wechselwirkung eines intensiven Terawatt-Laserpulses mit der Erdatmosphäre. Es entsteht in einem elektrisch leitfähigen Lichtkanal weißes Licht, das auch in 15 km Höhe noch sichtbar ist. (Roland Sauerbrey, Universität Jena)

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Expertenrunde: Klaus Witte, Ferenc Krausz und George Tsakiris (von links) diskutieren die aufregenden Perspektiven der Attosekunden-Lasertechnik, die den Physikern ein völlig neues Fenster ins Innere der Atome geöffnet hat. (Foto: FELIX BRANDL)

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Niels Bohr (links) und Albert Einstein auf dem Solvay-Kongress
(Quelle: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Foto: Paul Ehrenfest Sen.)

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Licht einer Lampe: viele Sinuswellen mit unterschiedlicher Phase und
Wellenlänge, die in alle Richtungen auseinanderlaufen.

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Abb. 4: Atomlaserstrahl in einer "Materiedichte-Darstellung". Der Berg links markiert das BEC, der blaue "Grat" ist der Atomlaserstrahl. Er kommt hier knapp 2 Millimeter weit.

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Interferenz. Wenn parallele Wasserwellen auf eine Wand mit zwei Löchern treffen, überlagern sich auf der anderen Seite der Wand zwei halbkreisförmige Wellen zu einem Interferenzmuster. Treffen zwei Wellenberge oder -täler zusammen, so verstärken sie sich gegenseitig. Ein Berg und ein Tal löschen sich dagegen aus. Dieses Phänomen lässt sich auch bei Licht- und Materiewellen beobachten.

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Quantenblume: Elektronischer Zustand einer Silberinsel mit neun Nanometern Durchmesser. Rastertunnelmikroskope ermöglichen seit wenigen Jahren eine neue Art von Experimenten bei tiefen Temperaturen: Mit hoher Energie- und Ortsauflösung können die elektronischen Zustände und Schwingungsmoden von einzelnen Atomen oder Molekülen auf Oberflächen spektroskopiert werden. (Quelle: Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Uni Kiel)

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An solchen Interferenzmustern können die Forscher die Entstehung ihres Quantengatters verfolgen. Das hintere Bild zeigt die Atomwolke im ursprünglichen Mott-Isolator- Zustand. Nach der Rechenoperation entsteht ein neuer, hochgradig verschränkter Quantenzustand, der durch einen flachen Hügel ohne ausgeprägte Interferenzstruktur erkennbar ist (Mitte). Diese Operation lässt sich wieder vollständig rückgängig machen (vorne).

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Zwei Kulturen im Dialog. Zwischen dem Psychoanalytiker Carl Gustav Jung (links) und dem Physiker Wolfgang Pauli (rechts) entspann sich in den dreißiger Jahren ein intensiver Austausch über die Bedeutung des Unbewussten. (Quelle: Archiv für Kunst und Geschichte, Berlin (C.G. Jung)/Archiv zur Geschichte der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin-Dahlem (W. Pauli))

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Experimenteller Aufbau zur Erzeugung von Paaren aus Zwillingsphotonen. Der Kristall, in dem die verschränkten Photonen erzeugt werden, befindet sich im Kreuzungspunkt der Laserstrahlen. (Quelle: Universität Innsbruck/plus49, Marc Steinmetz)

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Messung der Ozon-Konzentration mit einem Laser. Das Lasergerät wird gerade von einem Helikopter auf der Zugspitze, dem höchsten Berg Deutschlands, abgestellt. (Quelle: MPI für Quantenoptik)

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Clustermuster auf einem Substrat (elektronenmikroskopisches Falschfarbenbild, 10 Nanometer (10 nm))

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Licht eines Lasers: parallele Sinuswellen mit gleicher Wellenlänge, die alle im Gleichtakt ("in Phase") schwingen. (Grafiken: I&P)

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Wahrscheinlichkeitswellen in Form eines Trilobiten: Die Existenz eines ungewöhnlich großen Moleküls aus zwei Rubidium-Atomen wurde von einer amerikanischen Forschergruppe vorhergesagt. Eine der Besonderheiten dieses Moleküls ist, dass die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines äußeren Elektrons zufällig genau die Form eines Trilobiten annimmt, eines urzeitlichen Tierchens, das vor 300 Millionen Jahren in den Weltmeeren gelebt hat. Die Wissenschaftler haben hier die Aufenthaltswahrscheinlichkeit für eine zweidimensionale Fläche berechnet, die Ergebnisse wurden dann in der dritten Dimension (nach oben) aufgetragen. Die jeweilige Höhe der Wellen gibt also die Wahrscheinlichkeit an, das Elektron am betreffenden Punkt der Ebene zu finden.
(Computer- Grafik: Chris Greene, University of Colorado)

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Die feine Messspitze eines Rastertunnelmikroskops über einer fingernagelgroßen Graphit-Probe. (Quelle: Philip Morris Stiftung)

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"Quantenpunkte" aus Millionstel Millimeter kleinen Kristallen des Halbleiters Galliumarsenid, die in eine Polymer-Matrix eingebettet sind, leuchten dank quantenmechanischer Effekte in unterschiedlichsten Farben.

Quelle: Adv. Mat. 12, 1102, 2000

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PbSe-Quantenpunkte auf einer PbTe-Oberfläche, aufgenommen mit einem Rasterkraftmikroskop.

© Günther Bauer,Institut für Halbleiter-und Festkörperphysik, Universität Linz
von: Günther Bauer
Quelle: Institut für Halbleiter-und Festkörperphysik, Universität Linz

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Keine Chance für Spione. Bei der "Quantenkryptographie" wird ein Schlüssel für die Chiffrierung von Daten erzeugt, wobei Alice und Bob sicherstellen können, dass niemand ihre Leitung angezapft hat. Eine weitere Besonderheit bei diesem Verfahren besteht darin, dass der produzierte Schlüssel rein zufällig ist und keinerlei Muster enthält. Wählt man ihn nur genügend lang, kann man die damit chiffrierten Daten praktisch nicht "knacken".

von: Stefanie Juras
Quelle: iser und schmidt

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In einem klassischen Halbleiter (links) existieren breite Energiebänder. Im Quantenpunkt (Mitte) liegen diskrete Energieniveaus vor - quasi wie in einem Atom (rechts).

© Dirk Günther/Grafik Design/Welt der Physik
von: Dirk Günther
Quelle: Grafik Design

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In manchen Stoffen verlieren Elektronen aufgrund von Quantenphasenübergängen ihre gewohnten Eigenschaften. Die bei dem magnetischen Übergang in einer Cer-Kupfer-Gold-Legierung (CeCu_6-xAu_x) auftretenden kritischen Fluktuationen lassen sich mit inelastischer Neutronenstreuung direkt nachweisen: Für kurze Momente bilden sich kleine magnetisch geordnete Bereiche, die wieder verschwinden. Die Abbildung zeigt eine aus vielen einzelnen Messungen zusammengesetzte Momentaufnahme dieser Fluktuationen. Die Falschfarbenkodierung gibt die ortsabhängige Stärke der Fluktuationen an, die in einer durch die Kristallachsen a* und c* aufgespannten Ebene auftreten. Die linienförmigen Strukturen, die Gebirgskämmen ähneln, entsprechen anomalen, besonders starken Fluktuationen. Die anomalen Fluktuation liegen den physikalischen Eigenschaften der Legierung am Quantenphasenübergang zwischen dem magnetisierten und unmagnetisierten Zustand zugrunde. (H. von Löhneysen, Universität Karlsruhe)

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Veranschaulichung des Vielteilchenzustandes, der beim Fraktionalen Quanten-Hall-Effekt auftritt. Jedes Elektron (rote Kugel) bildet mit drei Quanten des magnetischen Flusses ein zusammengesetztes (composite) Fermion. Die Höhen und Tiefen der gelb gezeichneten Landschaft entsprechen großen und kleinen Wahrscheinlichkeiten, ein herausgegriffenes Elektron an einem bestimmten Ort anzutreffen. Dort, wo schon andere Elektronen (rote Kugeln) sind, darf sich das herausgegriffene Elektron wegen des Pauli-Prinzips nicht aufhalten. Entsprechend hat die Landschaft hier Mulden. (T. Kovacs und T. Duff, Bell Labs)

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Schnappschuss ins Innere eines Kryptonatoms: Der Attosekunden- Röntgenpuls (blau) dringt durch die äußeren Elektronenschalen bis fast zum Atomkern ein. Er schlägt aus der innersten Schale ein Photoelektron heraus (Pfeil nach links) und erzeugt so in ihr ein Loch. In dieses Loch fällt ein ersetzendes Elektron aus einer höheren Schale hinein. Dabei wird viel Energie frei, die ein zweites Elektron aus dem Atom herauskickt (Pfeil nach rechts): Dieses Auger-Elektron fängt der Femtosekunden-Laserpuls (orange) auf und transportiert es in ein Elektronenspektrometer. (Foto: MPI FÜR QUANTENOPTIK)

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Herzstück der Laserkontrolle chemischer Reaktionen ist der Laser-Pulsformer. Er zerlegt Licht in seine spektralen Bestandteile. (Quelle: Inst. für Experimentalphysik I, Uni Würzburg / Philip Morris)

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Theodor Hänsch vor einem Versuchsaufbau.

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft

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Während wir Menschen einen Hügel erklimmen müssen, um ihn zu überwinden (A), geht das in der in der Quantenphysik auch anders: Quantenobjekte können auf die andere Seite eines Hügels gelangen, indem sie ihn einfach durchtunneln, das heißt sie müssen nicht über die notwenige Energie verfügen, um über den Gipfel zu gelangen (B).

© Dirk Rathje/Welt der Physik
von: Dirk Rathje
Quelle: Welt der Physik

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Abb. 7: Herzstück des Atomchips sind die feinen Strukturen in seinem Zentrum. Dort wird das BEC erzeugt und manipuliert.

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Die roten Lichtblitze des Femtosekundenlasers treffen auf Neonatome und regen sie zum Ausstrahlen von Röntgenlicht an. Die Edelgasatome fließen als Gas durch ein Metallröhrchen (Mitte) mit einem Loch in der Wand, welches das Laserlicht durchlässt. (Illustration: ROHRER)

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