Atome in der Lichtratsche | pro-physik.de - das Physikportal
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<strong>Atome</strong> <strong>in</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Lichtratsche</strong> | <strong>pro</strong>-<strong>physik</strong>.<strong>de</strong> - <strong>das</strong> <strong>Physikportal</strong><br />
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<strong>Atome</strong> <strong>in</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Lichtratsche</strong><br />
Gerichteter Transport von Rubidiumatomen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er stehen<strong>de</strong>n Lichtwelle.<br />
Die belebte Natur zeigt uns mit ihren zahllosen molekularen Motoren, <strong>das</strong>s sich die<br />
ungeordnete Bewegung <strong><strong>de</strong>r</strong> Moleküle gleichrichten und dadurch zur Leistung von<br />
Arbeit nutzen lässt. Dass dabei alles mit rechten D<strong>in</strong>gen zugeht und die Entropie nicht<br />
zunimmt, lässt sich an e<strong>in</strong>fachen Mo<strong>de</strong>llen studieren. So führt die ungerichtete<br />
Brownsche Bewegung von Teilchen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em periodisch an- und abgeschalteten<br />
asymmetrischen Ratschenpotential zu e<strong>in</strong>er gerichteten Bewegung. Jetzt hat man<br />
beobachtet, <strong>das</strong>s e<strong>in</strong>e stehen<strong>de</strong> ratschenförmige Lichtwelle die quantenmechanischen<br />
Bewegungen von <strong>Atome</strong>n gleichrichten kann.<br />
27-11-2009<br />
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Abb.: Die <strong>Atome</strong> e<strong>in</strong>es Bose-E<strong>in</strong>ste<strong>in</strong>-Kon<strong>de</strong>nsats wer<strong>de</strong>n vom Ratschenpotential e<strong>in</strong>er asymmetrischen stehen<strong>de</strong>n Lichtwelle<br />
bevorzugt <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e Richtung transportiert. (Bild: Univ. Bonn)<br />
E<strong>in</strong>e Ratsche hat e<strong>in</strong> periodisches, Sägezahn<strong>pro</strong>fil, <strong>in</strong> <strong>de</strong>m sich steile und weniger steile Flanken<br />
abwechseln. Bewegen sich Brownsche Teilchen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em e<strong>in</strong>dimensionalen Ratschenpotential, so<br />
sammeln sie sich <strong>in</strong> <strong>de</strong>n Mul<strong>de</strong>n. Schaltet man <strong>das</strong> Potential vorübergehend ab, so können die Teilchen<br />
ungerichtet diffundieren. Sobald <strong>das</strong> Potential wie<strong><strong>de</strong>r</strong> angeschaltet ist, stellt sich heraus, <strong>das</strong>s mehr<br />
Teilchen e<strong>in</strong>er Mul<strong>de</strong> die kurze und steile Flanke h<strong>in</strong>ter sich gelassen haben als die lange und weniger<br />
steile Flanke. Es f<strong>in</strong><strong>de</strong>t daher e<strong>in</strong> effektiver Transport, von e<strong>in</strong>er Mul<strong>de</strong> zur nächsten, <strong>in</strong> Richtung <strong><strong>de</strong>r</strong><br />
steilen Flanken statt, d. h. <strong>in</strong> Sperrrichtung <strong><strong>de</strong>r</strong> Ratsche.<br />
S<strong>in</strong>d die Brownschen Teilchen im Ratschenpotential <strong>Atome</strong>, so sollten sich bei ihrem gerichteten<br />
Transport Quanteneffekte bemerkbar machen. Was geschieht jedoch, wenn die <strong>Atome</strong> ke<strong>in</strong>em<br />
Wärmebad ausgesetzt s<strong>in</strong>d und <strong>de</strong>shalb auch ke<strong>in</strong>e Brownsche Teilchen s<strong>in</strong>d son<strong><strong>de</strong>r</strong>n re<strong>in</strong>e<br />
Quantenteilchen, <strong><strong>de</strong>r</strong>en quantenmechanische Bewegungen durch e<strong>in</strong>e Hamilton-Dynamik beschrieben<br />
wer<strong>de</strong>n können? Dass auch <strong>in</strong> diesem Fall unter bestimmten Bed<strong>in</strong>gungen gerichtete Bewegung auftreten<br />
kann, haben Forscher um Tobias Salger und Mart<strong>in</strong> Weitz von <strong><strong>de</strong>r</strong> Universität Bonn experimentell<br />
nachgewiesen.<br />
Sie benutzten dazu e<strong>in</strong> Bose-E<strong>in</strong>ste<strong>in</strong>-Kon<strong>de</strong>nsat aus Rubidiumatomen, <strong>das</strong> e<strong>in</strong>er stehen<strong>de</strong>n Lichtwelle<br />
mit ratschenförmiger Intensitätsverteilung ausgesetzt war. Die Lichtwelle wur<strong>de</strong> durch Überlagerung von<br />
gegenläufigen Laserstrahlen e<strong>in</strong>er Grundfrequenz und ihrer höheren Harmonischen erzeugt. Die zu <strong>de</strong>n<br />
bei<strong>de</strong>n Frequenzkomponenten gehören<strong>de</strong>n Teilwellen konnten räumlich gegene<strong>in</strong>an<strong><strong>de</strong>r</strong> verschoben<br />
wer<strong>de</strong>n, so<strong>das</strong>s sich die Intensitätsverteilung <strong><strong>de</strong>r</strong> resultieren<strong>de</strong>n Lichtwelle verän<strong><strong>de</strong>r</strong>n ließ. Da <strong>das</strong> Licht<br />
gegen e<strong>in</strong>e bestimmte Anregungsfrequenz <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Atome</strong> rotverstimmt war, wur<strong>de</strong>n die <strong>Atome</strong> zu <strong>de</strong>n<br />
Intensitätsmaxima <strong><strong>de</strong>r</strong> Lichtwelle h<strong>in</strong>gezogen: Sie verspürten e<strong>in</strong> optisches Ratschenpotential.
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Das optische Potential konnten die Forscher an- und abschalteten, <strong>in</strong><strong>de</strong>m sie se<strong>in</strong>er Amplitu<strong>de</strong> e<strong>in</strong>en<br />
sägezahnförmigen zeitlichen Verlauf gaben. Dadurch wur<strong>de</strong>n alle räumlichen und zeitlichen Symmetrien<br />
<strong>de</strong>s Ratschenpotentials zerstört. Theoretische Untersuchungen von Peter Hänggi <strong>in</strong> Augsburg und se<strong>in</strong>en<br />
Kollegen hatten ergeben, <strong>das</strong>s <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Quantensystem mit e<strong>in</strong>em solch asymmetrischen zeitabhängigen<br />
Potential Quantenzustän<strong>de</strong> auftreten, die im Impulsraum asymmetrisch s<strong>in</strong>d zu e<strong>in</strong>em gerichteten<br />
Transport führen. Die Experimente haben dies jetzt bestätigt.<br />
Dazu haben die Bonner Forscher <strong>das</strong> Bose-E<strong>in</strong>ste<strong>in</strong>-Kon<strong>de</strong>nsat mehreren Pulsen <strong>de</strong>s Ratschenpotentials<br />
ausgesetzt und es anschließend frei expandieren lassen. Während die meisten <strong>Atome</strong> weiterh<strong>in</strong> <strong>in</strong> Ruhe<br />
waren, bewegten sich e<strong>in</strong>ige <strong>Atome</strong> nach rechts o<strong><strong>de</strong>r</strong> nach l<strong>in</strong>ks. Die Impulsverteilung <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Atome</strong> hatte<br />
die Form e<strong>in</strong>es Beugungsbil<strong>de</strong>s. Demnach bewegten sich die <strong>Atome</strong> kohärent und nicht wie Brownsche<br />
Teilchen. Das Beugungsbild war jedoch asymmetrisch: In die e<strong>in</strong>e Richtung bewegten sich <strong>de</strong>utlich mehr<br />
<strong>Atome</strong> als <strong>in</strong> die an<strong><strong>de</strong>r</strong>e. In welche Richtung sich die <strong>Atome</strong> bevorzugt bewegten, h<strong>in</strong>g sowohl vom<br />
zeitlichen Verlauf als auch von <strong><strong>de</strong>r</strong> räumlichen Gestalt <strong>de</strong>s Ratschenpotentials ab. Wenn <strong>das</strong> Potential<br />
nicht mehr asymmetrisch war, weil <strong><strong>de</strong>r</strong> zeitliche Verlauf o<strong><strong>de</strong>r</strong> die räumliche Gestalt e<strong>in</strong>e symmetrische<br />
Sägezahnform hatten, kam <strong><strong>de</strong>r</strong> Atomtransport zum Erliegen.<br />
E<strong>in</strong>e stehen<strong>de</strong> Lichtwelle kann somit <strong>Atome</strong> <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e gerichtete und zu<strong>de</strong>m kohärente Bewegung<br />
versetzen. Die Forscher sehen ihr Ergebnis als Beispiel für e<strong>in</strong>en Quantenmotor, <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Atome</strong> <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e<br />
bestimmte Richtung transportiert, obwohl im zeitlichen Mittel ke<strong>in</strong>e resultieren<strong>de</strong> Kraft auftritt. Mit<br />
solch e<strong>in</strong>em Quantenmotor eröffnen sich für die Nanotechnologie neue Möglichkeiten, <strong>in</strong><strong>de</strong>m sie die<br />
Quanten<strong>physik</strong> nicht bloß semiklassisch berücksichtigen muss, son<strong><strong>de</strong>r</strong>n ihr Potential konsequent nutzen<br />
kann.<br />
RAINER SCHARF<br />
Weitere Infos:<br />
Orig<strong>in</strong>alveröffentlichung:<br />
Tobias Salger et al.: Directed Transport of Atoms <strong>in</strong> a Hamiltonian Quantum Ratchet. Science 326,<br />
1241 (2009)<br />
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/326/5957/1241<br />
Gruppe von Mart<strong>in</strong> Weitz an <strong><strong>de</strong>r</strong> Universität Bonn:<br />
http://www.iap.uni-bonn.<strong>de</strong>/ag_weitz/<strong>in</strong><strong>de</strong>x.html<br />
Weitere Literatur:<br />
S. Denisov et al.: Periodically driven quantum ratchets: Symmetries and resonances. Phys. Rev. A 75,<br />
063424 (2007)<br />
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.75.063424<br />
http://www.<strong>physik</strong>.uni-augsburg.<strong>de</strong>/theo1/hanggi/Papers/463.pdf (frei!)<br />
A. V. Ponomarev et al.: ac-driven atomic quantum motor. Phys. Rev. Lett. 102, 230601 (2009)<br />
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.230601<br />
http://www.<strong>physik</strong>.uni-augsburg.<strong>de</strong>/theo1/hanggi/Papers/553.pdf (frei!)<br />
P. Hänggi and F. Marchesoni: Artificial Brownian motors: Controll<strong>in</strong>g transport on the nanoscale. Rev.<br />
Mod. Phys. 81, 387 (2009)<br />
http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.81.387<br />
http://www.<strong>physik</strong>.uni-augsburg.<strong>de</strong>/theo1/hanggi/Papers/515.pdf (frei!)<br />
R. D. Astumian and P. Hänggi: Brownian Motors. Physics Today 55 (11), 33 (2002)<br />
http://www.<strong>physik</strong>.uni-augsburg.<strong>de</strong>/theo1/hanggi/Papers/309.pdf (frei!)<br />
AL