Strahl kalter Atome ohne Laserkühlung. Kostenlose Neuigkeiten aus der Technischen Bibliothek

Kostenlose technische Bibliothek

NACHRICHTEN AUS WISSENSCHAFT UND TECHNOLOGIE, NEUHEITEN IN DER ELEKTRONIK
Kostenlose technische Bibliothek / Newsfeed

Strahl kalter Atome ohne Laserkühlung

26.01.2023

Amerikanischen Physikern gelang es, Lithiumatome mit einer Temperatur von 10 Millikelvin zu erhalten, indem sie sie in einem Heliumgasstrom abkühlten und in einer Magnetfalle einfingen. Ihre Methode erwies sich in puncto Effizienz als nicht schlechter als die Laserkühlung, lässt sich aber auf eine Vielzahl von Atomsorten anwenden und erweitert den Anwendungsbereich kalter Atomstrahlen.

Für Experimentalphysiker ist es viel einfacher, mit Atomen, Ionen und Molekülen im gekühlten Zustand zu arbeiten. Die Abkühlung auf Temperaturen unter einem Kelvin minimiert die kinetische Energie der Partikel und macht sie besser kontrollierbar. So können sie zu Fallen geschärft, für hochpräzise Messexperimente wie Atominterferometrie sowie zur Untersuchung von Quantenphänomenen und exotischen Materieformen verwendet werden.

In ihrem neuen Experiment haben Physiker der University of Texas in Austin einen neuen Weg vorgeschlagen, um kontinuierliche Strahlen gekühlter Atome zu erzeugen.

Die am häufigsten verwendete Methode zum Kühlen von Atomen ist die Laserkühlung, die auf der Absorption von Licht durch Atome beruht. Eine richtig gewählte Frequenz unterhalb des resonanten Übergangs im Atom führt dazu, dass das Teilchen seine kinetische Energie verschwendet, langsamer wird und schließlich abkühlt. Doch trotz des Erfolgs der Methode ist sie nicht für alle Atome geeignet und schränkt auch einige Experimente mit Teilchen ein.

Eine andere Möglichkeit, kalte Strahlen von Atomen und Molekülen zu erhalten, ist die Verwendung eines Puffergases. Das Puffergas-Kühlverfahren funktioniert, indem es die Energie der interessierenden Partikel durch elastische Kollisionen mit kalten Atomen eines Inertgases wie Helium oder Neon dissipiert. Da dieser Kühlmechanismus nicht von der inneren Struktur der Partikel abhängt (im Gegensatz zur Laserkühlung), ist die Puffergaskühlung auf fast jedes Atom oder kleine Molekül anwendbar.

Die Strahltemperatur der entstehenden Atome liegt typischerweise im Bereich von einem bis mehreren Kelvin. Niedrigere Temperaturen können durch Überschallstrahlen von Inertgasen erreicht werden, bei denen die Partikel durch die adiabatische Expansion des Trägergases gekühlt werden.

Bei ihrer Arbeit beschlossen die Wissenschaftler, die Vorteile beider Methoden zu kombinieren und erzeugten einen Strahl aus Lithium-7-Atomen, der in einer Kammer mit heliumgekühlter Expansion auf 10 Millikelvin abkühlte und einen Überschallstrahl freisetzte.

Im Experiment der Forscher wird Helium-4-Gas mit Überschallgeschwindigkeit in eine kleine zylindrische Zelle geleitet und dort auf eine Temperatur von 4,4 Kelvin abgekühlt. In den Heliumstrom wird ein Strahl aus Lithium gerichtet, dessen Atome teilweise vom Heliumstrom eingefangen und durch Kollisionen mit ihm gekühlt werden. Der aufgeweitete Gasstrahl wird in die nächste Vakuumkammer umgelenkt und die Lithiumatome werden von einer magnetischen Hexapollinse eingefangen, die sie durch Beeinflussung des magnetischen Moments fokussiert. Heliumatome werden nicht von einem Magneten fokussiert und bewegen sich daher in ballistischen Bahnen weiter, bis sie auf die Oberfläche treffen.

So können Wissenschaftler den maximalen Fluss von Lithiumatomen bei der niedrigstmöglichen Temperatur erreichen. Die Experimentatoren merken an, dass ein verbessertes Kammerdesign den Fluss verzehnfachen könnte, und der Ansatz selbst könnte an andere Atome und Moleküle angepasst werden, die die Wissenschaftler in zukünftigen Arbeiten testen wollen.

<< Zurück: Hochgeschwindigkeitsreise zum Mars 26.01.2023

>> Weiter: Photosynthese-Batterie 25.01.2023

Neueste Nachrichten aus Wissenschaft und Technik, neue Elektronik:

Die Existenz einer Entropieregel für die Quantenverschränkung wurde nachgewiesen 09.05.2024

Die Quantenmechanik überrascht uns immer wieder mit ihren mysteriösen Phänomenen und unerwarteten Entdeckungen. Kürzlich stellten Bartosz Regula vom RIKEN Center for Quantum Computing und Ludovico Lamy von der Universität Amsterdam eine neue Entdeckung vor, die sich mit der Quantenverschränkung und ihrem Zusammenhang mit der Entropie befasst. Quantenverschränkung spielt eine wichtige Rolle in der modernen Quanteninformationswissenschaft und -technologie. Aufgrund der Komplexität seiner Struktur ist es jedoch schwierig, es zu verstehen und zu verwalten. Die Entdeckung von Regulus und Lamy zeigt, dass die Quantenverschränkung einer Entropieregel folgt, die der für klassische Systeme ähnelt. Diese Entdeckung eröffnet neue Perspektiven im Bereich der Quanteninformationswissenschaft und -technologie und vertieft unser Verständnis der Quantenverschränkung und ihrer Verbindung zur Thermodynamik. Die Ergebnisse der Studie weisen auf die Möglichkeit der Reversibilität von Verschränkungstransformationen hin, was ihre Verwendung in verschiedenen Quantentechnologien erheblich vereinfachen könnte. Eine neue Regel öffnen ... >>

Mini-Klimaanlage Sony Reon Pocket 5 09.05.2024

Der Sommer ist eine Zeit der Entspannung und des Reisens, doch oft kann die Hitze diese Zeit zu einer unerträglichen Qual machen. Lernen Sie ein neues Produkt von Sony kennen – die Mini-Klimaanlage Reon Pocket 5, die verspricht, den Sommer für ihre Benutzer angenehmer zu gestalten. Sony hat ein einzigartiges Gerät vorgestellt – den Reon Pocket 5 Mini-Conditioner, der an heißen Tagen für Körperkühlung sorgt. Damit können Benutzer jederzeit und überall Kühle genießen, indem sie es einfach um den Hals tragen. Diese Mini-Klimaanlage ist mit einer automatischen Anpassung der Betriebsmodi sowie Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren ausgestattet. Dank innovativer Technologien passt Reon Pocket 5 seinen Betrieb an die Aktivität des Benutzers und die Umgebungsbedingungen an. Benutzer können die Temperatur einfach über eine spezielle mobile App anpassen, die über Bluetooth verbunden ist. Darüber hinaus sind speziell entwickelte T-Shirts und Shorts erhältlich, an denen ein Mini-Conditioner angebracht werden kann. Das Gerät kann oh ... >>

Energie aus dem Weltraum für Raumschiff 08.05.2024

Mit dem Aufkommen neuer Technologien und der Entwicklung von Raumfahrtprogrammen wird die Erzeugung von Solarenergie im Weltraum immer machbarer. Der Leiter des Startups Virtus Solis teilte seine Vision mit, mit dem Raumschiff von SpaceX Orbitalkraftwerke zu bauen, die die Erde mit Strom versorgen können. Das Startup Virtus Solis hat ein ehrgeiziges Projekt zur Schaffung von Orbitalkraftwerken mit dem Starship von SpaceX vorgestellt. Diese Idee könnte den Bereich der Solarenergieerzeugung erheblich verändern und sie zugänglicher und kostengünstiger machen. Der Kern des Plans des Startups besteht darin, die Kosten für den Start von Satelliten ins All mithilfe von Starship zu senken. Es wird erwartet, dass dieser technologische Durchbruch die Solarenergieproduktion im Weltraum gegenüber herkömmlichen Energiequellen wettbewerbsfähiger machen wird. Virtual Solis plant den Bau großer Photovoltaikmodule im Orbit und nutzt Starship für die Lieferung der notwendigen Ausrüstung. Allerdings eine der größten Herausforderungen ... >>

Neue Methode zur Herstellung leistungsstarker Batterien 08.05.2024

Mit der Entwicklung der Technologie und dem zunehmenden Einsatz von Elektronik wird die Frage der Schaffung effizienter und sicherer Energiequellen immer dringlicher. Forscher der University of Queensland haben einen neuen Ansatz zur Herstellung von Hochleistungsbatterien auf Zinkbasis vorgestellt, der die Landschaft der Energiebranche verändern könnte. Eines der Hauptprobleme herkömmlicher wiederaufladbarer Batterien auf Wasserbasis war ihre niedrige Spannung, die ihren Einsatz in modernen Geräten einschränkte. Doch dank einer neuen, von Wissenschaftlern entwickelten Methode konnte dieser Nachteil erfolgreich überwunden werden. Im Rahmen ihrer Forschung wandten sich Wissenschaftler einer speziellen organischen Verbindung zu – Catechol. Es erwies sich als wichtige Komponente, die die Stabilität der Batterie verbessern und ihre Effizienz steigern kann. Dieser Ansatz hat zu einer deutlichen Spannungserhöhung der Zink-Ionen-Batterien geführt und sie damit wettbewerbsfähiger gemacht. Laut Wissenschaftlern haben solche Batterien mehrere Vorteile. Sie haben b ... >>

Alkoholgehalt von warmem Bier 07.05.2024

Bier, eines der häufigsten alkoholischen Getränke, hat einen ganz eigenen Geschmack, der sich je nach Temperatur des Konsums verändern kann. Eine neue Studie eines internationalen Wissenschaftlerteams hat herausgefunden, dass die Biertemperatur einen erheblichen Einfluss auf die Wahrnehmung des alkoholischen Geschmacks hat. Die vom Materialwissenschaftler Lei Jiang geleitete Studie ergab, dass Ethanol- und Wassermoleküle bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Arten von Clustern bilden, was sich auf die Wahrnehmung des alkoholischen Geschmacks auswirkt. Bei niedrigen Temperaturen bilden sich eher pyramidenartige Cluster, wodurch die Schärfe des „Ethanol“-Geschmacks abnimmt und das Getränk weniger alkoholisch schmeckt. Im Gegenteil, mit steigender Temperatur werden die Cluster kettenförmiger, was zu einem ausgeprägteren alkoholischen Geschmack führt. Dies erklärt, warum sich der Geschmack einiger alkoholischer Getränke, wie z. B. Baijiu, je nach Temperatur ändern kann. Die Erkenntnisse eröffnen Getränkeherstellern neue Perspektiven, ... >>

Zufällige Neuigkeiten aus dem Archiv

Aufzeichnung der tiefsten künstlich erzeugten Temperatur 28.09.2021

Physikern aus Deutschland ist es gelungen, die niedrigste Temperatur in der Geschichte der Wissenschaft zu erreichen, nur 38 Picokelvin, 38 Billionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Ihr Experiment nutzte den Prozess des freien Falls einer Quantengaswolke und das Ein- und Ausschalten des Magnetfelds, um die Atome des Gases fast bis zum vollständigen Stopp ihrer thermischen Bewegung zu verlangsamen.

Der Punkt des absoluten Nullpunkts, -273.15 Grad Celsius, ist die niedrigste Temperatur, die nach allen Regeln der Thermodynamik erreicht werden kann. Bei einer solchen Temperatur hört die thermische Bewegung der Atome vollständig auf und diese Atome haben keine kinetische Energie mehr, was zu sehr merkwürdigen Effekten führen sollte. Das Erreichen des absoluten Nullpunkts und darunter ist jedoch in der Praxis unerreichbar, da es physikalisch unmöglich ist, den Atomen absolut ihre gesamte kinetische Energie zu entnehmen.

Wissenschaftler versuchen jedoch ständig, dem absoluten Nullpunkt näher zu kommen. Vor einigen Jahren gelang Wissenschaftlern aus Harvard die „kälteste“ chemische Reaktion bei einer Temperatur von 500 Nanokelvin, 500 Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Etwas später wurden im Cold Atom Lab an Bord der Internationalen Raumstation Experimente bei einer Temperatur von 100 Nanokelvin durchgeführt.

Allerdings sind die oben genannten Temperaturen im Vergleich zu den neuesten Errungenschaften deutscher Wissenschaftler ziemlich hoch. Und um diese Temperatur zu erreichen, verwendeten die Wissenschaftler eine Wolke aus 100 Rubidiumatomen, die in einer Magnetfalle in einer Vakuumkammer eingeschlossen waren. Zunächst wurde eine Atomwolke auf eine Temperatur abgekühlt, bei der ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat entstand, dessen Atome alle in einer Quantenbeziehung stehen. Aufgrund dieser Beziehung verhält sich die gesamte Kondensatwolke wie ein großes Atom, was es ermöglicht, die Manifestation von Quanteneffekten im Makromaßstab zu sehen.

Das Bose-Einstein-Kondensat entstand bei einer Temperatur von zwei Milliardstel über dem absoluten Nullpunkt, war aber noch nicht kalt genug. Das Experiment wurde in einem speziellen Bremer Fallturm durchgeführt, der über eine 120 Meter hohe Vakuumkammer mit Magnetfallen verfügt, in der Freifallexperimente durchgeführt werden. Und während die Wolke aus Bose-Einstein-Kondensat frei unter dem Einfluss der Schwerkraft fiel, schalteten die Wissenschaftler den Magnet genau zu vorberechneten Zeitpunkten ein und aus.

Als das Magnetfeld eingeschaltet wurde, zog sich die Bose-Einstein-Kondensatwolke etwas zusammen. Als das Magnetfeld abgeschaltet wurde, dehnte sich die Kondensatwolke aus. Die Momente des Ein- und Ausschaltens des Magnetfelds wurden so synchronisiert, dass die dadurch ausgeübte Wirkung zu einem fast vollständigen Stopp der Bewegung von Kondensatatomen führte, was eine effektive Temperaturabsenkung bedeutet.

Während eines solchen Experiments gelang es den Wissenschaftlern, eine rekordniedrige Temperatur für 2 Sekunden zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Die Berechnungen der erstellten mathematischen Modelle haben jedoch gezeigt, dass im Weltraum beispielsweise unter Bedingungen der Mikrogravitation oder Schwerelosigkeit an Bord des Satelliten eine solche Temperatur 17 Sekunden lang anhalten kann, was ausreicht, um sehr komplexe Experimente durchzuführen.

Voll sehen Archiv für Wissenschafts- und Technologienachrichten, neue Elektronik

Alle Sprachen dieser Seite

Startseite | Bibliothek | Artikel | Sitemap | Site-Überprüfungen