Fotoalbum: Die Welt der Atome und Moleküle

Unteilbare Grundbausteine sollten die Atome nach der Vorstellung der griechischen Philosophen Leukipp und Demokrit sein. Doch Atome bestehen ihrerseits aus einem Atomkern, um den eine Schar von Elektronen kreist. Und es sind diese Elektronen, die vor allem die chemischen Eigenschaften der Atome bestimmen. Das Bild zeigt das Bohrsche Atommodell eines Atoms mit drei Elektronen. Wenn ein Elektron von einer höheren auf eine niedrige Bahn springt, sendet es Energie aus.

Bild in Originalgröße

Abb. 1. Die vier verschiedenen Materieformen: Festkörper, Flüssigkeiten, Gase und Plasmen. (Rolf Wilhelm, MPI für Plasmaphysik, Garching)

Bild in Originalgröße

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)

Bild in Originalgröße

Abb. 4. Vergleich zwischen herkömmlichem nass-chemischem Ätzen und Plasmaätzen durch Ionenbeschuss. Beim Plasmaätzen wird die Struktur von der Maske präzise auf die zu bearbeitende Oberfläche übertragen. (R. Wilhelm, MPI für Plasmaphysik, Garching)

Bild in Originalgröße

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.

Bild in Originalgröße

Niels Bohr im Jahr 1911, kurz vor der Publikation seines Atommodells.

Bild in Originalgröße

links: Ein Laserstrahl wird an der Oberfläche eines Plasmas reflektiert. Die Aufnahme zeigt den Einsatz als doppelter Plasmaspiegel. Der Laserstrahl (rote linie) wird auf beiden Seiten von der Oberfläche des Plasmas reflektiert. rechts: so sieht der Plasmaspiegel nach dem Experiment aus.

© Los Alamos National Laboratory, P-24 Trident Laser Facility
von: unbekannt
Quelle: Los Alamos National Laboratory

Bild in Originalgröße

Bild 5: Kupferoberfläche, aufgenommen mit einem Rastertunnelmikroskop (RTM). Der 10 Nanometer breite Ausschnitt der Kupferoberfläche zeigt in der linken Hälfte des Bildes eine einlagige Insel aus Kupfer (gelb), die sich auf einer großen flachen Terrasse befindet (braun). In der Mitte sieht man den Rand der Insel. Dieser erscheint unscharf, weil sich die Atome entlang des Inselrandes bei Raumtemperatur ständig bewegen. Wenn man genau hinschaut, erkennt man dort, wo die Atome am Inselrand etwas länger verweilen, die Atomreihen innerhalb der ausgefransten Struktur.

Bild in Originalgröße

Oben: Der Lichtlaser nutzt das Prinzip der stimulierten Emission. Strahlt man passendes (resonantes) Licht auf ein angeregtes Atom (oder Molekül) ein, so wird das Licht verstärkt. Das angeregte Atom kehrt in den Grundzustand zurück und gibt dabei ein Photon ab, welches sich in den Photonenstrom des eingestrahlten Lichtstrahls einreiht. Durch Rückführung des verstärkten Lichtstrahls mit Hilfe von Spiegeln (man bezeichnet den von Spiegeln umgebenen Raum als Resonator) schaukelt sich der Verstärkungsprozess auf und ein intensives monochromatisches Lichtfeld entsteht im Resonator. Es müssen ständig angeregte Atome bereitgestellt werden, um den Prozess aufrecht zu erhalten. Ist einer der Spiegel ein wenig durchlässig, so kann dort ein kohärenter Lichtstrahl aus dem Resonator austreten, der Laserstrahl.

Unten: Eine mögliche Variante eines Materiewellen-Lasers beruht auf einem lichtgesteuerten stimulierten Verstärkungsprozess für Materie. Dabei wird ein Strahl von Atomen in einem angeregten, aber langlebigen elektronischen Niveau präpariert und durch eine Atomfalle (Ellipse) geschickt, welche nur Atome im elektronischen Grundzustand festhält. Mittels Einstrahlung von Laserlicht (gelber Pfeil) werden die angeregten Atome bei ihrer Bewegung durch die Atomfalle in ein kurzlebiges Zwischenniveau gepumpt, von wo aus sie unter spontaner Abgabe von Photonen (blaue geschlängelte Pfeile) in den gefangenen elektronischen Grundzustand zerfallen. Aufgrund ihres bosonischen Charakters ordnen sich die neu hinzukommenden Atome perfekt in die Bewegung der schon in der Atomfalle vorhandenen Atome ein, sodass sich bei hinreichend großer Rate von Neuzugängen eine kohärente Materiewelle aufbaut, bei der sich alle Atome im Gleichschritt bewegen. Durch eine Öffnung in der Atomfalle lässt man eine kohärente Materiewelle entweichen. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, dass bereits gefangene Atome durch Stoß mit einem angeregten Atom oder durch Aufnahme eines der spontan ausgesandten Photonen aus der Atomfalle heraus­ geworfen werden können. Diese Verluste können den Aufbau einer kohärenten Materiewelle verhindern. In der Sprache der Lasertechnik würde man sagen: Der Laser kommt nicht über die Schwelle.

© Sabine Kuhls-Dawideit/Grafik Design/Welt der Physik
von: Sabine Kuhls-Dawideit
Quelle: Grafik Design

Bild in Originalgröße

Abb. 2. Oben: Wechselwirkung zwischen Atom und Licht. Bei jeder Absorption eines Photons wird ein Impuls auf das Atom übertragen. Unten: Das Prinzip der Laserkühlung von Atomen in einer optischen Melasse. (A) Das Atom bewegt sich nach rechts und erfährt durch das Laserlicht eine abbremsende Kraft nach links, weil (B) die von rechts kommenden Photonen blauverschoben erscheinen und deshalb das Atom anregen und ihm ihren Impuls übertragen können. (Markus Oberthaler, Universität Konstanz)

Bild in Originalgröße

Von der "Laserhütte" wird der Laserstrahl über Spiegel in den Experimentier-Speicherring gelenkt und dort mit dem Schwerionenstrahl zur Überlappung gebracht. (Im Bild wurde der Strahlverlauf nachgezeichnet.)

Quelle: GSI

Bild in Originalgröße

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

Bild in Originalgröße

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.

Bild in Originalgröße

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

Bild in Originalgröße

Das Rasterelektronenmikroskop zeigt das Kugelgitter eines funkelnden Opals. Ähnlich arrangieren sich die - zehntausendfach kleineren - Atome oder Moleküle in einem Kristall.

Quelle: Institut für Kristallographie der Uni Köln

Bild in Originalgröße

Abb. 1. Zwei Plasmalichtquellen: Eine Entladungslampe von 1749 (links) und eine moderne Plasmalampe (rechts). (Science Museum, London; Rolf Wilhelm, MPI für Plasmaphysik, Garching)

Bild in Originalgröße

John Dalton (1766-1844)
(Quelle: Site de Sciences Physiques et Chimiques)

Bild in Originalgröße

Abb. 2. Erste Schritte zum Atomlaser: Atome werden (kontinuierlich oder gepulst) kohärent aus einem Bose-Einstein-Kondensat ausgekoppelt und fallen nach unten. Die abgebildeten Messungen wurden am MIT in Cambridge, USA, am MPI für Quantenoptik in Garching bei München, an der Yale Universität, USA, und am NIST in Gaithersburg, USA, durchgeführt.

Bild in Originalgröße

Bild 2: Hoch auflösende TEM-Aufnahme einer dünnen Schicht Barium-Strontium-Titanat, einem elektrokeramischen Material für die Informationstechnologie. Der Abstand zwischen zwei Barium- bzw. Strontiumatomen (schwarz und blau) beträgt rund 0,4 Millionstel Millimeter.

Bild in Originalgröße

Oben: Thermisches Licht besteht aus lauter Einzelwellen mit verschiedenen Frequenzen. Es besitzt ein kontinuierliches Frequenzspektrum mit einer Breite, die proportional zur Temperatur der Lichtquelle ist. Das Spektrum wird durch die berühmte Planck-Verteilung beschrieben. Die Abbildung zeigt das Planck-Spektrum des Sonnenlichts. Die Temperatur der Sonnenoberfläche von 5780 K führt zu einem Strahlungs­maximum bei einer Wellenlänge von etwa 500 Nanometern, also im grünen Farbbereich. Unten: Zum Vergleich das Emissionsspektrum eines grünen Lasers. Ein Laser gibt Strahlung nur bei einer einzigen Wellenlänge ab, im Spektrum zeigt sich entsprechend nur eine einzige Linie.

© Sabine Kuhls-Dawideit/Grafik Design/Welt der Physik
von: Sabine Kuhls-Dawideit
Quelle: Grafik Design

Bild in Originalgröße

50 solcher bizarr geformten Magnetspulen erzeugen den magnetischen Käfig für den Stellarator Wendelstein 7-X, der zurzeit in Greifswald aufgebaut wird.

© Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
Quelle: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Bild in Originalgröße

Abb. 3. Die Skala zeigt die Temperaturen, die mit den verschiedenen Laserkühlverfahren erreicht werden, und vergleicht sie mit bekannten Temperaturen. Noch tiefere Temperaturen erreicht man mit Hilfe der Verdampfungskühlung, z. B. bei der Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten (BEC).
(Markus Oberthaler, Universität Konstanz)

Bild in Originalgröße

Energieschema eines Fluoreszenzprozesses: Durch Absorption eines Photons wird ein Elektron in einen höherenergetischen Zustand angehoben. Nach kurzer Zeit fällt das Elektron in den Ausgangszustand zurück und ein Teil der Energie wird als Fluoreszenzlicht abgestrahlt. Daneben ist mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit eine strahlungslose Relaxation über den Triplettzustand möglich.

Bild in Originalgröße

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)

Bild in Originalgröße

Joseph J. Thomson (1856-1940) beim Experimentieren (Quelle: Randolph-Macon Woman's College)

Bild in Originalgröße

(F. Krausz, TU Wien)

Bild in Originalgröße

Pyrit, aus Eisen und Schwefel zusammengesetztes Mineral, das Schatzsucher schon mal als "Katzengold" in die Irre führt. Die innere, atomare Struktur lässt sich aus den Reflexen von Röntgenlicht rekonstruieren, hier ein so genanntes "Laue-Diagramm" (Bild oben). Jeder Punkt repräsentiert eine atomare Ebene.

Quelle: Institut für Kristallographie der Uni Köln, Bergerhof Studios

Bild in Originalgröße

Schematische Darstellung einer Fusionsanlage vom Typ Tokamak. Von innen nach außen: Transformatorspule (rot), Plasma (gelb), verdrillte Magnetfeldlinien (rot), Plasmagefäß (blau), Hauptfeldspulen (rot), Zusatzspulen (grün).

© Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
Quelle: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Bild in Originalgröße

Direkte in situ Beobachtung der Aktivität des Hörzentrums unseres Gehirns während des Stereohörens. Der gelb markierte Bereich zeigt ein Zentrum für die Erkennung bewegter Schallquellen im Raum, das mit Hilfe der funktionellen Kernspintomographie entdeckt wurde.

von: Henning Scheich
Quelle: Leibniz-Institut für Neurobiologie, Magdeburg

Bild in Originalgröße

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)

Bild in Originalgröße

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.

Bild in Originalgröße

Zu den "jüngsten" Elektronenmikroskopen am Stuttgarter Max-Planck-Institut zählt das EM 912. Sein Filtersystem lässt sich so einstellen, dass jeweils nur die an einem bestimmten chemischen Element gestreuten Elektronen zur Abbildung beitragen. Mit diesem "Electron Spectroscopic Imaging"-Verfahren (ESI) kann man die räumliche Verteilung der Elemente ermitteln.

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft

Bild in Originalgröße

Bild 4: Schnitt durch die Netzhaut einer Ratte, bei dem drei fluoreszierende Farbstoffe benutzt wurden. Die "Neonfarben" kommen durch die Überlagerung mehrerer Farbstoffe zustande. Das Bild zeigt ein dichtes Netz von Nervenzellen. Gut unterscheidbar sind die relativ großen Zellen (rot, blau und grün) mit ihren fein verzweigten Fortsätzen und deren Endverzweigungen (rot und violett links im Bild), an denen Synapsen sitzen. (Ausschnitt von 0,16 x 0,16 Millimeter).

Bild in Originalgröße

Röntgenübergänge in den Grundzustand von wasserstoffähnlichem Uran. Aufgrund der Relativbewegungen der im ESR umlaufenden Uran-Ionen sind die beobachteten Röntgenlinien zu höheren Energien verschoben.

Quelle: GSI

Bild in Originalgröße

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)

Bild in Originalgröße

Abb. 2: Spektrum der höheren Vielfachen der Laserfrequenz. Die Abbildung zeigt die ungeraden Harmonischen von der 19. bis zur 33. Ordnung, die in einem Vakuum-UV-Spektrometer analysiert und mit einer pn-CCD Detektoranordnung aufgenommen wurden.

Bild in Originalgröße

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)

Bild in Originalgröße

Perowskit-Struktur

© Dirk Rathje / Welt der Physik
von: Dirk Rathje

Bild in Originalgröße

Aufnahmen eines Hochleistungswerkstoffs aus Si3N4-Körnern, der mit einer Aluminiumlegierung infiltriert wurde. Das Schwarz-Weiß-Bild zeigt die Kornstruktur des Materials, das farbige die mit dem ESI-Verfahren gewonnene elektronenspektroskopische Aufnahme, bei der dem Silizium die (Falsch)-Farbe Rot, dem Stickstoff das Grün und dem Sauerstoff einer oxidischen Substanz das Blau zugeordnet wurde.

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft

Bild in Originalgröße

Polymere kubische Gitterstruktur: Alle Stickstoffatome sind mittels kovalenter Einfachbindungen miteinander verknüpft. (Grafik: ROHRER NACH VORLAGEN DES MPI FÜR CHEMIE)

Bild in Originalgröße

Schematische Darstellung einer Fusionsanlage vom Typ Stellarator. Von innen nach außen: Plasma (gelb), verdrillte Magnetfeldlinie (grün),
Magnetspulen (blau).

© Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
Quelle: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Bild in Originalgröße

Wenn ein Laserpuls (gelb) ein Plasma durchquert, bildet sich hinter ihm, also in seinem "Kielwasser" (engl.: wake) eine Plasmawelle heraus. Diese Welle kann elektrisch geladene Teilchen - hier Elektronen - beschleunigen. Die Teilchen surfen sozusagen auf der Plasmawelle.

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

Bild in Originalgröße

Der Elektronenkühler am Experimentier-Speicherring ESR. Die Elektronen kommen von rechts oben, werden in die Horizontale umgelenkt und begleiten nun in dem etwa zwei Meter langen waagerechten Rohrabschnitt (das glatte gelbe Rohr in der Bildmitte) den von rechts kommenden Ionenstrahl. Durch Energieaustausch kühlen die Elektronen den Ionenstrahl und verlassen die Ionenbahn links hinten wieder nach oben.

Quelle: GSI

Bild in Originalgröße

Fluoreszenz-spektroskopische Aufnahme: Das fluoreszierende Protein DsRed in.

Bild in Originalgröße

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

Bild in Originalgröße

Ein klassisches Gas kann man als materielles Gegenstück einer thermischen Lichtquelle auffassen. James Clerk Maxwell und Ludwig Boltzmann fanden bereits im 19. Jahrhundert heraus, dass die Geschwindigkeiten von Gasteilchen in einem Kasten (links) einer bestimmten Verteilung (rechts) folgt, deren Breite durch die Temperatur bestimmt ist. Die mittlere Geschwindig­keit liegt bei Zimmertemperatur bei ungefähr bei einem Kilometer pro Sekunde.

© Sabine Kuhls-Dawideit/Grafik Design/Welt der Physik
von: Sabine Kuhls-Dawideit
Quelle: Grafik Design

Bild in Originalgröße

Erwin Schroedinger im Jahr 1927, als er seine 'Wellengleichung' publizierte (Quelle).

Bild in Originalgröße

Demokrit (460-371 v. Chr.) (Quelle: Philosophengalerie)

Bild in Originalgröße

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

Bild in Originalgröße

Bereits im Jahr 1974 ging das AEI EM7 in Betrieb. Dieses Instrument nutzen die Forscher noch immer zur Untersuchung von Proben, die während der Messung erhitzt und verformt werden.

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft

Bild in Originalgröße

Blick in das Plasmagefäß des europäischen Gemeinschaftsexperiments JET, der weltweit größten Fusionsanlage.

© JET
Quelle: JET

Bild in Originalgröße

Abb. 1. Blick in eine magnetooptische Atomfalle (MOT). Die gefangenen Atome erkennt man in der Vakuumapparatur als hellen Punkt. (NIST, Boulder, USA)

Bild in Originalgröße

Verlauf von Dichte und Temperatur bei einem Laser-Plasma. Der Laser kommt von rechts und dringt bis zur kritischen Dichte vor. Die Temperatur ist in dem Bereich, in dem der Laserstrahl heizt, sehr hoch und nimmt direkt hinter der kritischen Dichte rasch ab. Auch die Schockwelle, die nach links in die Materie hineinläuft und sie verdichtet, ist zu erkennen.

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

Bild in Originalgröße

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

Bild in Originalgröße

Die internationale Fusions-Testanlage ITER im Entwurf. Von innen nach außen: Transformatorspule (violett), Hauptfeldmagnete (gelb), Plasmagefäß mit den am Boden angebrachten Divertorplatten und nach außen führenden Stutzen (grau) sowie der alles umgebende Kryostat

© ITER
Quelle: ITER

Bild in Originalgröße

Grafik aus Daltons Werk, "New System of Chemical Philosophy" (Quelle: Site de Sciences Physiques et Chimiques

Bild in Originalgröße

Niels Bohr (1885-1962) (Quelle: The City University of New York)

Bild in Originalgröße

Im Bohrschen Atommodell kreisen die Elektronen auf festen Bahnen mit festen Energien.

Bild in Originalgröße

Das Periodensystem der Elemente nach Mendelejew und Meyer

Bild in Originalgröße

Kühlt man ein Gas (z. B. Wasserdampf) ab, so kommt es normalerweise zur Kondensation, also zur Verflüssigung (Wasser) und schließlich Verfestigung (Eis). Dazu sind Stöße von mindestens drei Gasteilchen nötig, denn die bei der Bindung von zwei Teilchen frei werdende Energie muss irgendwie abgeführt werden. Ist die Dichte so klein, dass solche Dreikörperstöße unwahrscheinlich sind, kann das Gas bis zu sehr tiefen Temperaturen gasförmig bleiben. Der Quantenphysik zufolge haben die Gasteilchen Wellen­eigen­schaften. Jedes Gasteilchen wird durch ein Paket aus Wellen verschiedener Wellen­längen beschrieben. Die zentrale Wellenlänge ist umgekehrt proportional zur mittleren Geschwindigkeit der Gasteilchen. Sie wird als thermische de Broglie-Wellenlänge bezeichnet zu Ehren des französischen Physikers Luis Victor de Broglie, der als erster auch Materie Welleneigenschaften zuschrieb. Die Ausdehnung eines solchen Wellenpakets ist ungefähr durch die thermische de Broglie-Wellenlänge gegeben. Mit sinkender Temperatur, und somit sinkender mittlerer Geschwindigkeit der Gasteilchen, wächst die thermische de Broglie-Wellenlänge, bis sich die Wellenpakete zu überlappen beginnen. Die Teilchen werden dadurch gezwungen, zu interferieren, das heißt sich gegenseitig zu verstärken und auszulöschen, so wie wir es vom Licht kennen. Dies führt dazu, dass die Gasteilchen sich in zwei Fraktionen aufteilen. Es gehen genau so viele Teilchen in den Zustand niedrigster Energie (den Grund­zustand) über und bilden ein Bose-Einstein-Kondensat, dass es für die übrigen thermischen Atome gerade nicht mehr zur Überlappung der Wellenpakete kommt.

© Sabine Kuhls-Dawideit/Grafik Design/Welt der Physik
von: Sabine Kuhls-Dawideit
Quelle: Grafik Design

Bild in Originalgröße

Joseph Louis Proust (1755-1826) (Quelle: chemsoc)

Bild in Originalgröße

Bild 3: Blick mit dem konfokalen Laser-Scan-Mikroskop auf die Netzhaut einer Ratte (Aufsicht). Zwei verschiedene fluoreszierende Farbstoffe machen zwei unterschiedliche Sorten von Nervenzellen sichtbar (rot und grün). Das Bild zeigt einen Ausschnitt von 0,25 x 0,25 Millimeter (Erklärung siehe Text).

Bild in Originalgröße

Mit dem Jülicher Neutronenspinecho-Spektrometer lässt sich die Bewegung von Polymermolekülen verfolgen.

Quelle: FZ Jülich

Bild in Originalgröße

Schematischer Querschnitt einer Diamantstempel- Apparatur: Der Strahl eines Infrarotlasers beheizt die Probe, während ein Argon-Ionenlaser zur Anregung eines Rubinsplitters für spektroskopische Druckmessungen dient. (Grafik: ROHRER NACH VORLAGEN DES MPI FÜR CHEMIE)

Bild in Originalgröße

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.

Bild in Originalgröße

Kalialaun, eine Substanz, die unter anderem zum Versiegeln von Rasierwunden verwendet wird, bildet große Kristalle. Aus deren regelmäßiger Form haben Wissenschaftler einst auf die Existenz atomarer Baublöcke geschlossen.

von: Suzy Coppens
Quelle: Bergerhof Studios

Bild in Originalgröße

Eine Goldfolie (Mitte) wird von links mit einem 100 Terawatt-Laser beschossen. Der Laser setzt hochenergetische Protonen frei, die zum Durchleuchten von Materialproben verwendet werden können (unten rechts).

© TU Darmstadt/Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI)
von: unbekannt
Quelle: TU Darmstadt/LULI

Bild in Originalgröße

Bild 6: Das RTM-Bild zeigt einen 250 Nanometer breiten Ausschnitt einer stark gestuften Kupferoberfläche nach dem Bedampfen mit etwa 600 Lagen Kupfer. Die anfänglich parallelen Stufen verlaufen nach dem Wachstum von Kupfer auf der Oberfläche wellenförmig. Die "bauchige" Struktur wird durch eine Behinderung des atomaren Transports entlang der anfänglich geraden Stufen hervorgerufen und heißt "Bales-Zangwill-Instabilität".

Bild in Originalgröße

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

Bild in Originalgröße

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

Bild in Originalgröße

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.

Bild in Originalgröße

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.

Bild in Originalgröße

Wahrscheinlichkeitsdichte (psi2 über der phi-Ebene) der Wellenfunktion des Wasserstoffatoms. Von links oben nach rechts unten:
n=1, l=0, m=0; n=2, l=0, m=0; n=2, l=1, m=0; n=3, l=0, m=0; n=3, l=1, m=0; n=3, l=2, m=1;
(erzeugt mit Hydrogenic v4.0 von Wolfgang Christian, schulphysik.de)

Bild in Originalgröße

Elektronentomographiebild des Archaebakteriums Pyrodictium abyssi mit eingeblendetem Proteinkomplex, einem Thermosom.

von: Wolfgang Baumeister
Quelle: MPI für Biochemie, Martinsried

Bild in Originalgröße

Opal. Wenn einfarbiges Licht ein winziges Hindernis trifft, erscheinen dahinter leuchtende Flecken. Weißes Licht erzeugt ein buntes Muster, da die Auffächerung von der Wellenlänge, also der Lichtfarbe, abhängt. Wird Licht von vielen dicht aneinander liegenden Rillen gestreut, wie bei den "Pits" einer CD, so überlagert sich das gebeugte Licht jeder Rille mit dem jeder anderen ("Interferenz"); das Ergebnis sind Regenbogenreflexe. Beim Opal wird das Farbenspiel von regelmäßig angeordneten Siliziumdioxid-Kügelchen hervorgerufen.

Quelle: Institut für Kristallographie der Uni Köln

Bild in Originalgröße

Turmalin. Ein komplexes Borsilikat, in Holland "Asantrekker" getauft, weil die Kristalle bei Erwärmung Oberflächenladungen ausbilden, die eben auch Asche anziehen. Dieser "pyroelektrische Effekt" ist eine von vielen kristallinen Eigenarten, die die Neugier der Alchimisten anstachelten und schließlich von einer soliden Wissenschaft tiefgründig erklärt werden konnten.

von: Suzy Coppens
Quelle: Bergerhof Studios

Bild in Originalgröße

Abb. 1. Oben: Schematische Darstellung der Atominterferometrie. Heliumatome fliegen durch einen Doppelspalt und werden auf einem Detektorschirm einzeln nachgewiesen. Unten: Nach einiger Zeit bildet sich ein Interferenzmuster aus, das dem von interferierenden Lichtwellen ähnlich ist. (Tilman Pfau und Jürgen Mlynek, Universität Konstanz)

Bild in Originalgröße

Abb. 3: Das Spektrum der Photoionen zeigt die unterschiedliche Dynamik im Ionisationsprozess. Mit zunehmender Energie der Photoelektronen ändern sich die Bahnen, auf denen die Elektronen den Atomverband verlassen. Zuerst kehren sie auf einfachem Weg zum Ionenrumpf zurück, um ihn dann endgültig zu verlassen (rot). Danach werden die Bahnen immer komplexer (grün und blau). Die doppelten Linien verdeutlichen, dass es jeweils zwei verschiedene Wege gibt, die zum selben Ergebnis führen. Solche Bahnen ergeben in der Quantenphysik Interferenzerscheinungen, wie sie in der Photoionisation (siehe Abb. 1) beobachtet wurden.

Bild in Originalgröße

Ernest Lord Rutherford 1908, als er den Nobelpreis für Chemie erhielt.

Bild in Originalgröße

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)

Bild in Originalgröße

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.

Bild in Originalgröße

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)

Bild in Originalgröße

Ein Laserstrahl erzeugt ein Plasma an der Oberkante eines Würfels aus gefrorenem Stickstoff. Deutlich ist zu erkennen, dass der Laser nur die Oberfläche heizt, während
der Rest des Eiskristalls während des Laserpulses kalt bleibt.

© Gesellschaft für Schwerionenforschung
von: unbekannt
Quelle: Gesellschaft für Schwerionenforschung

Bild in Originalgröße

Fusionsplasma in der Anlage ASDEX Upgrade. Von magnetischen Kräften geformt und vor den Gefäßwänden in Schwebe gehalten, wird die Randschicht des Plasmas auf speziell ausgerüsteten Divertor-Prallplatten am Boden des Plasmagefäßes gelenkt

© Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
Quelle: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

Bild in Originalgröße

Abb. 3. Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Mikrostruktur aus Diamantspitzen. Die Struktur ist durch Plasmaätzen entstanden. Die Balkenlänge entspricht 0,005 Millimeter. (J. Engemann, Forschungszentrum für Mikrostrukturtechnik, Wuppertal)

Bild in Originalgröße

Schema Autokorrelationskurven: Wenn sich z. B. durch Zusammenlagerungen, sogenannte Assoziationsprozesse, die Masse der Teilchen ändert, wird die Autokorrelationskurve nach rechts verschoben. Hieraus kann man schließen, dass eine chemische Reaktion stattgefunden hat.

Bild in Originalgröße

Ernest Rutherford (1871-1937) (Quelle: chemsoc)

Bild in Originalgröße

Bild 7: Das RTM-Bild zeigt einen 50 Nanometer großen Ausschnitt einer stark gestuften Kupferoberfläche. Stufen auf Oberflächen werden von Kristallographen durch einen schrägen Anschnitt relativ zu einer spezifischen Kristallebene erzeugt. Die Fläche im Bild entstand durch höchst präzise Anschnitte in zwei verschiedenen Richtungen.

Bild in Originalgröße

Atom (Bohrsches Atommodell)
(Quelle: Deutsches Museum)

Bild in Originalgröße

Bild 1: Blick in die Tiefe des Weltraums. Die beiden Galaxien (NGC 3314) sind rund 140 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt (Aufnahme NASA: Hubble-Teleskop).

Bild in Originalgröße

Abb. 1: Winkelaufgelöstes Photoelektronenspektrum bei elliptischer Laserpolarisation. Die höhenlinienartigen Konturen deuten die Absorption einer entsprechenden Anzahl von Photonen oberhalb der Ionisationsenergie an. Die charakteristische Aufspaltung des hochenergetischen Teils des Spektrums ist ein Interferenzeffekt. Dieser Interferenzeffekt kommt dadurch zustande, dass bei der Ionisation jeweils zwei verschiedene Elektronenbahnen möglich sind, die nach dem Muster eines Doppelspaltexperiments miteinander interferieren.

Bild in Originalgröße

Anordnung der Atome im Strontiumtitanat. Links unten sind die drei Atomarten dargestellt, rechts das mit Hilfe der Computersimulation erzeugte Bild. Gewonnen wurden die Aufnahmen mit dem größten Elektronenmikroskop am Institut - dem ARM 1250 (rechts).

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft

Bild in Originalgröße

Abb. 2. Beschichtungen geben Oberflächen neue Eigenschaften. Sie schützen z. B. Kunststoff vor dem Zerkratzen (oben): Die linke Seite der Kunststoffoberfläche ist nicht beschichtet. Oder sie machen Oberflächen hydrophob, d. h. wasserabweisend (unten). (J. Engemann, Forschungszentrum für Mikrostrukturtechnik, Wuppertal)

Bild in Originalgröße

Ein neutrales Dysprosium-Atom mit vollbesetzten Elektronenschalen (linke Bildhälfte) ist stabil, ein hochionisiertes mit unbesetzten Elektronenzuständen (rechte Bildhälfte) kann dagegen zerfallen. Die Buchstaben K, L und M bezeichnen die Elektronenschalen.

Quelle: GSI

Bild in Originalgröße

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)

Bild in Originalgröße