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Neue Erkenntnisse in der Atomforschung

Wissenschaftler des Weizmann Instituts haben beim Messen magnetischer Vibrationen bei der Drehung eines einzelnen Atoms einen neuen Rekord erzielt: 100 Mal genauer als der vorherige Rekord…

Selbst wenn es eigentlich ruhig und isoliert erscheint, kann der Hintergrundlärm in einem Labor genauso laut wirken wie eine volle Bahnstation, auf der man versucht, eine Ansage zu hören. Unsere Gehirne können den Lärm herausfiltern und sich bis zu einem gewissen Punkt auf die Mitteilung konzentrieren. Eine andere Möglichkeit ist aber das Lauterstellen der Lautsprecher – durch Steigerung der Signal-Lärm-Ratio.

Das Herausfiltern des Signals aus dem Lärm – also eine Steigerung des einen und Reduzierung des anderen Geräusches – ist so grundlegend, dass ein Großteil der wissenschaftlichen Forschung gar nicht ohne diese Grundlage durchgeführt werden könnte. Eine bekannte Methode, die der Physiker Robert Dicke von der Princeton University entwickelt hat, basiert auf einem ähnlichen Prinzip und ermöglicht Radioübertragungen über die Atmosphäre der Erde. Man moduliert also elektrische Wellen (die mit Tonwellen korrespondieren), die man über weite Entfernungen senden will, indem man sie auf eine Hochfrequenzwelle legt. Um die Übertragung dann anzuhören, muss man einen Empfänger haben, der auf die Frequenz der Trägerwelle eingestellt ist (Frequenzbereich auf der FM-Skala), die sich dann in zwei Wellen aufteilt und die zweite „Reiterwelle“ verstärkt – die Musik oder das Geräusch, das wir hören wollen.

Diese Methode, die im Physiklabor angewandt wird, nennt sich „eingeschlossene Verstärkung“. Auch hier „reitet“ ein Signal, das eine niedrige Frequenz misst, eine Hochfrequenzwelle. Ein eingeschlossener Verstärker hebt eine bestimmte Welle aus dem Rest des Lärms hervor, „hängt“ sie an das erforderliche Signal an und ermöglicht dem Wissenschaftler verschiedenste genaue Messungen.

Um eine gute räumliche Auflösung zu erzielen, sollte man die Messungen mit einem möglichst kleinen Detektor durchführen; kleiner als ein einzelnes Atom geht allerdings nicht. Die Welt der einzelnen Atome wird von der Quantenphysik bestimmt und jegliche Art der Beobachtung in der Quantenwelt ist ein komplexes Unternehmen. Die Heisenbergsche Unschärferelation, einer der Grundsteine der Quantentheorie, schränkt unsere Möglichkeiten zur Durchführung von Präzisionsmessungen ein. Aber genau diese Theorie enthält einige Schlüssel für Ansätze mit diesen Beschränkungen.

Dr. Roee Ozeri und seine Forschungsstudenten Shlomi Kotler, Nitzan Akerman, Yinnon Glickman und Anna Keselman aus dem Fachbereich Physik Komplexer Systeme am Weizmann Institut wandten die Richtlinien der Quantenmechanik auf den Detektor einzelner Atome an, wobei sie eine Quantenversion eines eingeschlossenen Verstärkers verwendeten. Durch Benutzung eines Detektors zum Nachweis der Drehung eines einzelnen Ions gelang es ihnen, magnetische Vibrationen mit räumlicher Auflösung von nur wenigen Nanometern (wenige Milliardstel eines Meters) zu messen. Die Empfindlichkeit dieser Messung war sehr hoch: etwa 100 Mal genauer als solche Messungen bisher. Diese Methode, sagt Ozeri, könnte in Physiklaboren weltweit benutzt werden, um die Empfindlichkeit aller Arten von Quantensensoren zu verbessern.

Weizmann Institut für Wissenschaft, 22.06.11, Newsletter der Botschaft des Staates Israel