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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Durchleuchtete Atome |
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| | | Physiker haben jetzt die Grundlagen für ein völlig neuartiges Mikroskop geschaffen. Dieses ermöglicht mittels Atomlasern Einblicke in die Strukturen der kleinsten Teilchen. |
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Immanuel Bloch und seine Kollegen von der Ludwig Maximilian Universität in München haben einen Weg gefunden, wie sie den Strahl eines Atomlasers fokussieren, reflektieren und teilen können und damit den Grundstein für eine neue Mikroskoptechnologie gelegt. Dies berichten die Physiker in der aktuellen Ausgabe der "Physical Review Letters"( Physical Review Letters; 87, S.123 - 321, 2001).
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Komplexes Verhalten |
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Die Entwicklung von Linsen und Spiegeln zur Fokussierung von Atomlaserstrahlen könnte nicht nur die Mikroskopie auf atomarer Ebene verbessern, sondern auch Atomuhren und die Technologien kleinster Strukturen optimieren helfen.
Das Verhalten von Atomen wird von Gesetzen der Quantenmechanik gesteuert. Sie besitzen sowohl Teilchen- als auch Wellencharakter.
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Welle-Teilchen-Dualismus von Atomen
Klassisch betrachtet ist ein Teilchen immer ein Teilchen. Niemand käme auf die Idee, einen Tennisball als Welle beschreiben zu wollen. Quantenmechanisch betrachtet ist ein Elektron mal ein Teilchen und mal eine Welle. Welche Gestalt das Elektron für den Beobachter annimmt, hängt davon ab, wie das Experiment gestaltet wird. Ist das Experiment so aufgebaut, dass wir nach Welleneigenschaften suchen, zum Beispiel nach Interferenz, so werden wir Welleneigenschaften sehen. Versuchen wir, Teilchen zu messen, finden wir Teilcheneigenschaften. |
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 Mehr zum Welle-Teilchen-Dualismus |
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Kleinere Wellenlängen |
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Je kleiner die Wellenlängen von Teilchen wie Elektronen, desto kleinere Strukturen können damit arbeitende Mikroskope darstellen. Manche Teilchen weisen extrem kurze Wellenlängen auf. Damit wären noch präzisere Untersuchungen winziger Strukturen möglich.
Die bisherigen Versuche solche Atome für mikroskopische Zwecke nutzbar zu machen, arbeiteten mit einer Art "Atom-Wolke", die auf die jeweiligen zu untersuchenden Objekte "gesprüht" wurde.
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Mehr Information |
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Im Vergleich zur "Atom-Wolke" scheint die Methode der deutschen Physiker erfolgversprechender. Ein Atomlaserstrahl ist intensiver, schärfer und kann mehr Information aufnehmen als die versprühte "Atom-Wolke", so behaupten die Wissenschaftler.
Die Licht-Wellen eines normalen Laserstrahl verlaufen kohärent. Genauso verhalten sich auch die Atome in einem Atomlaser, nur dass bei einem Atomlaser Materie- statt Lichtwellen verwendet werden.
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Was ist ein Atomlaser?
Die Grundlage für einen Atomlaser bildet das
"Bose-Einstein-Kondensat". Sämtliche Atome in ihm sind zu einem gigantischen Superatom verschmolzen. Man kann diese Einheit mit einer einzigen Wellenfunktion beschreiben. Durch einen Magnetkäfig wird es an einem Ort gehalten. Nun möchte man die Welle aus diesem Käfig austreten lassen, damit sie sich weiter ausbreiten kann und einen Materiewellenstrahl ergibt. Zu diesem Zweck bohrt man mit einem Radiofrequenzstrahl ein Loch in den Magnetkäfig, durch die Schwerkraft wird die Welle nach unten gezogen und bildet einen 2mm langen Materiestrahl. Dieser hat ganz starke Ähnlichkeit mit dem Lichtstrahl eines Lasers, deshalb bezeichnet man ihn als Atomlaser. Der einzige Unterschied sind die Materiewellen statt der Lichtwellen. |
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Mehr zum Atomlaser |
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Manipulierte Atome |
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Das Team um Bloch entwickelte einen Atomlaser aus Rubidium87-Atomen. Dann veränderten sie mittels eines normalen Lasers das Verhalten der Rubidium-Atome, sodass diese auf Wunsch auf Magnetfelder reagieren bzw. nicht reagieren.
In einem zweiten Schritt verwendeten sie bestimmte Magneten, um den Atomlaserstrahl zu reflektierten und zu speichern. Speicherung mittels Magneten arbeitet ähnlich dem Einfangen eines Lichtstrahles zwischen zwei Spiegeln.
Ein "gespeicherter" Atomlaserstrahl kann leichter fokussiert werden. In einem Atomlaser-Mikroskop kann dann der "gespeicherte" Strahl aus der Magnetspeicherung "freigelassen" werden und zur mikroskopischen Bild-Darstellung verwendet werden.
(red)
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Originalartikel in den 'Physical Review Letters' (Physical Review Letters; 87, S.123 - 321, 2001; kostenpflichtig):
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01.01.2010 |
