Pressespiegel - Harvard University Department of Physics
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Pressespiegel Auszug P H I L I P W A L T H E R 1 , J I A N -W E I P A N 1 , * , M A R K U S A S P E L ME Y E R 1 , R U P E R T U R S I N 1 , S A R A G A S P A R O N I 1 & A N T O N Z E I L I N G E R 1 , 2 , „De Broglie wavelength of a non-local four-photon state“, Nature 429, 158-161 (13 May 2004) 1 Institut für Experimentalphysik, Universität Wien, Boltzmanngasse 5, A-1090 Wien Institut für Quantenoptik und Quanteninformation, ÖAW, Boltzmanngasse 3, A- 1090 Wien * Present address: Physikalisches Institut, Universität Heidelberg D-69120 Heidelberg, Germany 2 1. Die Presse, „Quantenphysik: Aus vier mach eins”, 13.05.2004 (print) 2. Der Standard, „Verschränkte Teilchen erhöhen Auflösung des Lichtmikroskops“, 13.05.2004 3. wissenschaft.de, „Scharfer Spuk mit Mehrlings-Photonen“, 13.05.2004 4. spektrumdirekt, „Verschränkung auf dem Weg ins Wohnzimer“, 15.05.2004 5. Der Standard, „Lichtteilchen überlisten die Optik“, 14.05.2004 (print) 6. BerlinOnline, „Wie mehr Daten auf eine CD passen“, 13.05.2004 7. pro-physik, „Alles im Fluss“, 17.05.2004 8. heise_online, „Schrumpfkur für Lichtpakete“, 14.05.2004 diepresse.com - die online Qualitäts-Tageszeitung Österreichs Seite 1 von 1 diepresse.com zurück | drucken 13.05.2004 - Tech&Science / Science-News Quantenphysik: Aus vier mach eins VON THOMAS KRAMAR Physiker in Wien um Anton Zeilinger konnten nun vier Fotonen verschränken. Lichtmikroskope sind in ihrer Auflösung grundsätzlich beschränkt: Die maximal erreichbare Auflösung - zwei Punkte, die gerade noch unterscheidbar sind - ist durch die Wellenlänge des Lichts gegeben. Klar: Die Feinheit einer Messung hängt vom verwendeten Maßstab ab. So kann man mit sichtbarem Licht (mit Wellenlängen zwischen 380 und 750 Nanometer) keine atomaren Strukturen auflösen, mit Röntgenstrahlen (unter 0,1 Nanometer) schon: Darauf beruht die Röntgenstrukturanalyse, ein Kristall ist sozusagen das naturgegebene Beugungsgitter für Röntgenstrahlen. Wiener Experimentalphysiker um Anton Zeilinger (Erstautor: Philip Walther) fanden nun eine Methode, mit der das Limit unterschritten werden kann. Sie beruht auf dem typisch quantenphysikalischen Phänomen der Verschränkung, bei dem Teilchen ihre Individualität einbüßen und sich fortan einen Zustand teilen. Dass zwei Teilchen verschränkt sind, ist in Zeilingers Labor gewissermaßen schon Alltag. Doch nun beginnt man, verschränkte Zustände aus drei und mehr Teilchen - vor allem Licht-Teilchen, Fotonen - zu untersuchen. "In der Physik-Community spricht man von einem Drei-Foton oder einem Vier-Foton", erzählt Zeilinger. In der aktuellen Ausgabe von Nature (429, S. 158 ff.) berichten gleich zwei Teams von Erfolgen: Kanadier um A. M. Steinberg (der unlängst am Wiener Institut Gastprofessor war) haben ein Drei-Foton erzeugt, die Wiener ein Vier-Foton. Wobei, so Zeilinger, "das Schöne ist, dass das Vier-Foton nicht lokal war, sondern an vier verschiedenen Stellen in der Apparatur gemessen wurde". "Man hat ein Paket von vier Fotonen, die sich wie ein Teilchen verhalten und doch räumlich getrennt sind", erläutert Walther die Paradoxie. Dass die Verschränkung wirklich stattfindet, zeigt ein wesentlicher Unterschied zur klassischen Physik: Vier Fotonen, die einfach so miteinander reisen, haben dieselbe Energie wie ein Foton (nur die Intensität ist die vierfache): Wenn man grünes Licht stärker aufdreht, verändert es bekanntlich nicht seine Farbe. Anders bei der Verschränkung: Ein Paket aus vier Fotonen hat viermal so viel Energie wie ein Foton darum ist seine Wellenlänge (die ja indirekt proportional zur Energie ist) ein Viertel der Wellenlänge eines Fotons. Genau das maßen die Wiener Physiker: Interferenzmuster mit einer Periodizität von einem Viertel der ursprünglichen Wellenlänge. Wie viele Fotonen kann man verschränken? "Mit den gängigen Methoden sechs bis acht", meint Zeilinger. So könnte die Auflösung versechs- bis verachtfacht werden. © diepresse.com | Wien http://www.diepresse.com/textversion_article.aspx?id=421700 08.06.2004 Verschränkte Teilchen erhöhen Auflösung des Lichtmikroskops Seite 1 von 2 derStandard.at | Wissenschaft | Technik 13.05.2004 Verschränkte 18:37 MEZ Teilchen erhöhen Auflösung des Lichtmikroskops Zauberwort heißt einmal mehr "Verschränkung" Link Nature Wien - Kaum ein Monat vergeht, in dem nicht die Experimentalphysiker um Anton Zeilinger der Universität Wien neue, mögliche Anwendungen für ihre Experimente an so genannten verschränkten Photonen entdecken. So präsentierten die Forscher in der Wissenschaftszeitschrift "Nature" eine Methode, mit deren Hilfe unter anderem die Auflösung des guten, alten Lichtmikroskops verbessert werden könnte. Auch für die so genannte Interferometrie ergäben sich entscheidende Vorteile. Verschränkte Photonen Mit ihren Experimenten an verschränkten Photonen sorgen die Physiker schon seit Jahren für Aufsehen, etwa auf dem Gebiet der Verschlüsselung von Computerdaten oder auch der so genannten Teleportation, die unmittelbare Übertragung von Information auch über weite Distanzen. Die Verschränkung selbst ist ein Phänomen aus der Welt im kleinsten, das in der Makrowelt des täglichen Lebens keine Entsprechung hat. Teilweise scheinen die Auswirkungen dem Menschenverstand völlig zu widersprechen, selbst Albert Einstein sprach im Zusammenhang mit der Verschränkung von "spukhafter Fernwirkung". Verschränkte Photonen werden an einem Ort - etwa mit einem Laserstrahl und einem Kristall - erzeugt. Schickt man die beiden Partner in unterschiedliche Richtungen, so bleiben sie - ungeachtet der wachsenden Distanz - wie über einen unsichtbaren Faden mit einander verbunden. Manipuliert man eines der Teilchen, macht sich die Manipulation augenblicklich auch beim anderen bemerkbar. Experiment mit vier verschränkten Photonen Bei den jüngsten Experimenten, arbeiteten die Physiker mit Paketen aus vier verschränkten Photonen. "Eigentlich sind es vier Photonen, die gleichzeitig entweder den einen oder den anderen Weg nehmen", erklärt dazu Philip Walther. Das entscheidende daran ist, dass die Viererpakete einen Lichtstrahl erzeugen, dessen Wellenlänge vier Mal so klein ist wie der ursprünglich in den Aufbau gesendete Laserstrahl. Durch die Verschränkung liefern die Pakete am Ende Messergebnisse, die einem Einzigen, vier Mal so großen Lichtteilchen entsprechen würden. Lichtmikroskope in Auflösung begrenzt Mögliche Anwendungen aus den Grundlagenforschungen ergeben sich dadurch, dass etwa Lichtmikroskope durch die Wellenlänge in ihrer http://derstandard.at/druck.asp?id=1662730 08.06.2004 Verschränkte Teilchen erhöhen Auflösung des Lichtmikroskops Seite 2 von 2 Auflösung begrenzt sind. Mit normalem, sichtbaren Licht liegt die maximal erreichbare Auflösung - zwei Punkte, die noch unterscheidbar sind - bei 0,2 Mikrometer, wobei ein Mikrometer ein Tausendstel Millimeter ist. Durch die Viertelung der Wellenlänge könnte die Auflösung dagegen vervierfacht werden. Experimente mittels Interferenz Die Leistung von Messgeräten, die mit Hilfe von Interferenz etwa Abstände bestimmen, könnte ebenfalls durch die Verringerung der Wellenlänge verbessert werden. Denn auch dabei gilt die Wellenlänge als untere Grenze für die Auflösung der Geräte. Die Interferenz ist die Überlagerung von zwei oder mehr (Licht-)Wellen, wobei diese einander verstärken, abschwächen oder sogar auslöschen können. Kleinste Verschiebungen erzeugen große Wirkung, daher wird das Phänomen sehr oft zum Fine-Tuning verschiedenster Geräte benutzt. Nicht zuletzt könnte auch die Nanotechnologie von den verschränkten Photonen profitieren. So werden mit Hilfe von Licht feinste Strukturen hergestellt. Auch hier gilt die Wellenlänge des Lichts als limitierender Faktor. (APA) © 2004 derStandard.at - Alle Rechte vorbehalten. Nutzung ausschließlich für den privaten Eigenbedarf. Eine Weiterverwendung und Reproduktion über den persönlichen Gebrauch hinaus ist nicht gestattet. http://derstandard.at/druck.asp?id=1662730 08.06.2004 wissenschaft.de - Scharfer Spuk mit Mehrlings-Photonen News - Druckversion Seite 1 von 2 drucken >> 13.05.2004 - Physik Scharfer Spuk mit Mehrlings-Photonen Quantenphysiker überlisten durch Verschränkung mehrerer Photonen die optische Beugungsgrenze Mikroskope können Dinge nicht beliebig vergrößern. Denn die so genannte Beugungsgrenze begrenzt das Auflösungsvermögen eines optischen Gerätes, abhängig von der Wellenlänge des Lichts. Diese grundlegende physikalische Beschränkung haben nun zwei Forschergruppen aus Toronto und Wien überlistet. Die Physiker stellen ihre Experimente im Fachmagazin Nature (Bd. 429, S. 158 und S.161) vor. Weil Lichtteilchen sich wie Wellen verhalten, unterliegen sie dem physikalischen Phänomen der Beugung, wie beispielsweise Wasserwellen auch. So breitet sich eine Wasserwelle, die man durch einen schmalen Spalt schickt, hinter dem Spalt fast kreisförmig aus. Sie erreicht Orte, die ein durch den Spalt fliegendes Teilchen – oder ein Ball oder eine Pistolenkugel – nie erreichen könnte, weil es nicht "um die Ecke" fliegen kann. Will man ein Objekt beobachten, dann ist man darauf angewiesen, dass sich das von diesem Objekt ausgesandte oder reflektierte Licht geradlinig bewegt. Wenn sich das Licht aber "um die Ecke" fortbewegt, dann erscheint das beobachtete Objekt verschmiert. Glücklicherweise spielt Beugung nur dann eine bedeutende Rolle, wenn die Größe der Öffnung, durch die das Licht geschickt wird, kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts. Da diese etwa einen halben Tausendstel Millimeter beträgt, können wir zum Glück durch ein Fenster sehen, ohne dass die Objekte dahinter verschmieren. Doch bei optischen Geräten oder bei einem CD-Spieler, der mit Laserlicht winzige Strukturen auf einer CD abtastet, gelangt man an die Beugungsgrenze. Physikerteams der Universität Toronto und der Universität Wien haben nun Photonen, also Lichtteilchen, so präpariert, dass sie sich wie Teilchen mit einer kürzeren Wellenlänge verhalten – und haben somit die Beugungsgrenze ein Stück weit hinausgeschoben. Dem Wiener Team um Anton Zeilinger ist es gelungen, vier Photonen miteinander zu verschränken. Dem Toronter Team um Aephraim Steinberg gelang das gleiche mit drei Photonen. Verschränkung ist eine quantenmechanische Eigenschaft, die Albert Einstein "Spukhafte Fernwirkung" genannt hat. Salopp ausgedrückt verhalten sich miteinander verschränkte Photonen wie telepathisch begabte Zwillinge – oder in den vorliegenden Experimenten wie Drillinge oder Vierlinge. Die "Drillinge" beziehungsweise "Vierlinge" bilden ein einziges quantenmechanisches System, das die drei- oder vierfache Energie eines Einzelphotons besitzt – und zwar auch dann noch, wenn sie räumlich voneinander getrennt sind. Da sich Energie und Wellenlänge eines Photons umgekehrt proportional zueinander verhalten, folgt daraus, dass sich die Drillinge beziehungsweise Vierlinge wie Teilchen http://www.wissenschaft.de/wissen/news/drucken/240866.html 08.06.2004 wissenschaft.de - Scharfer Spuk mit Mehrlings-Photonen Seite 2 von 2 mit einem Drittel bzw. einem Viertel der Wellenlänge eines Einzelphotons verhalten – und die Beugungsgrenze für sie somit verschoben ist. Genau dieses Verhalten konnten die Wiener und Toronter Physiker in ihren Experimenten nachweisen. Axel Tillemans © wissenschaft.de, komedia GmbH 2004 http://www.wissenschaft.de/wissen/news/drucken/240866.html 08.06.2004 spektrumdirekt Seite 1 von 2 spektrumdirekt Ausgabe vom 15.05.2004 QUANTENPHYSIK Verschränkung auf dem Weg ins Wohnzimmer Drei oder vier verschmolzene Photonen messen genauer als ein einziges Lichtquant [ www.wissenschaft-online.de/abo/ticker/720230 ] Quantenmechanik ist exotisch bis abstrus und findet meist tief in den Labors der Physiker statt. Doch die Wissenschaft schickt sich an, ihre Fortschritte auf dem Markt und in die heimischen Stuben zu bringen. Klein, kleiner, am kleinsten - so lautet ein Credo der Informationstechnologie. Unmengen von Daten auf winzigstem Raum zu speichern, ist das Ziel. Nach dem heutigen Stand der Technik geht das am besten mit optischen Methoden, wie sie jeder vom CD- und DVD-Spieler zu Hause kennt. Bei diesen Geräten tastet ein Laserstrahl die Scheiben nach Vertiefungen ab, deren Muster die Informationen trägt. Weil DVD-Spieler dabei Licht mit einer viel kürzeren Wellenlänge benutzen, können die Daten auf den zugehörigen Medien viel enger gepackt werden. Doch sechs Gigabyte pro Scheibe sind den Ingenieuren zu wenig. Sie suchen nach Wegen, alles noch kompakter zu gestalten. Fragt sich nur, wie das geschehen soll. Denn so langsam wird das Licht selbst zu groß für die gewünschten Minimaße. Immerhin verlangt die Natur, dass Licht zwei getrennte Punkte nur dann noch auflösen kann, wenn die Distanz zwischen diesen die jeweilige Wellenlänge nicht unterschreitet. Nur ist es in der Praxis äußerst schwierig, ständig neue Laser mit immer kürzeren Wellenlängen zu entwickeln. Einfacher wäre es, die Natur ein klein wenig auszutricksen. Und was wäre dafür geeigneter, als einer der berüchtigt-seltsamen Effekte aus der Quantenmechanik? Das Bild zeigt das Vier-Photonen-Interferometer, das im Experiment verwendet wurde. UV-Laserpulse passieren zweimal einen nichtlinearen Typ-II-Kristall (Mitte des Bildes). Die polarisiert-verschränkten Photonen können sich vorwärts oder rückwärts ausbreiten (Falschfarben). Wenn nun vier Photonen emittiert werden, finden sie sich mit derselben Wahrscheinlichkeit in den beiden möglichen Richtungen wieder. Die beiden verschiedenen Modi werden dann in polarisierenden Strahlungsteilern überlagert, was die Beobachtung des Vier-PhotonenSystems ermöglicht. ©Robin Riegler In diesem Fall ist es das Phänomen der Verschränkung, das helfen könnte. Es beschreibt den Vorgang, wenn zwei eigenständige Quantenteilchen - wie beispielsweise Photonen - unter bestimmten Umständen sich so eng miteinander koppeln, dass sie sozusagen zu einem neuen Teilchen "verschmolzen" sind. Mag dies früher ein rein theoretisches Konzept gewesen sein, so gehören derartige Experimente mittlerweile in vielen Labors zur Routine. Technisch interessant wird die Verschränkung vor allem deshalb, weil die beiden Ursprungsphotonen ihre Energie zusammenwerfen und das verschränkte Teilchen doppelt so viel Energie besitzt und damit nur die halbe Wellenlänge hat. Warum also nicht einfach drei, vier oder noch mehr Photonen miteinander verschränken und auf diese Weise beliebig kurzwellige Photonen erzeugen? Das Problem steckt in dem Wörtchen "einfach", denn so leicht ist der Gedanke nicht in die Tat umzusetzen. Dennoch vermelden nun gleich zwei Arbeitsgruppen, dass ihnen http://www.wissenschaft-online.de/abo/ticker/720230&template=d_sdi_artikel_druck 08.06.2004 spektrumdirekt Seite 2 von 2 dieser bedeutende Schritt gelungen ist. Morgan Mitchell und seine Kollegen von der Universität Toronto verschränkten zunächst zwei Photonen, die aus verschiedenen Quellen stammten und sich in ihrer Polarisationsebene unterschieden. Dann gaben sie noch ein drittes Photon mit einer weiteren Schwingungsebene hinzu. In über der Hälfte ihrer Versuche bildete sich innerhalb von Nanosekunden ein verschmolzenes Dreiergespann [1]. Die Arbeitsgruppe um Anton Zeilinger von der Universität Wien ging in ihren Experimenten noch ein Photon weiter. Die österreichischen Forscher bildeten erst zwei getrennte Doppelpaare, die sie schließlich zu einem verschränkten Vier-Photonen-System koppelten [2]. Beide Teams sind der Ansicht, dass sie mit ihrer Methode im Prinzip jede gewünschte Anzahl von Lichtquanten verschränken könnten. Auch wenn bei den Versuchen noch kein Hyper-DVDPlayer herausgekommen ist, haben die Wissenschaftler eindrucksvoll gezeigt, dass sich die Theorie im Labor bereits in die Praxis umsetzen lässt. Und das bei einem abstrusen Effekt der Quantenmechanik, dem noch vor wenigen Jahren niemand zugetraut hätte, es jemals in die "wirkliche" Welt unseres Alltags zu schaffen. Olaf Fritsche Freier Journalist www.wissenschaftwissen.de © spektrumdirekt QUELLEN: [1] Nature 429: 161-164 (2004) [2] Nature 429: 158-161 (2004) http://www.wissenschaft-online.de/abo/ticker/720230&template=d_sdi_artikel_druck 08.06.2004 Lichtteilchen überlisten die Optik Seite 1 von 1 derStandard.at | Wissenschaft | Technik 21.05.2004 Lichtteilchen 22:06 MEZ überlisten die Optik Quantenphysiker verschränkten Photonen miteinander Wien - Quantenphysiker aus Österreich und Kanada haben in zwei unabhängigen Studien die Gesetze der Optik überlistet. Die experimentelle Sensation soll zur Verbesserung von Mikroskopen und optischen Speichermedien führen. Die Physiker stellten ihre Experimente in Nature vor. Mikroskope können Dinge nicht beliebig vergrößern. Denn die so genannte Beugungsgrenze begrenzt das Auflösungsvermögen eines optischen Gerätes, abhängig von der Wellenlänge des Lichts. Die Grenzen der optischen Beugung sind erreicht, wenn die Größe der Öffnung, durch die Licht geschickt wird, kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts: Das Objekt erscheint "verschmiert". Da die Wellenlänge des Lichtes einen halben Tausendstel Millimeter beträgt, gelangt man nur bei optischen Geräten oder bei CD-Spielern, die mit Laserlicht winzige Strukturen auf einer CD abtasten, an die Beugungsgrenze. Verschränkung Die Physikerteams haben nun Photonen, also Lichtteilchen, so präpariert, dass sie sich wie Teilchen mit einer kürzeren Wellenlänge verhalten. Das Wiener Team um Anton Zeilinger verschränkte vier Photonen miteinander, das Toronter Team um Aephraim Steinberg drei. Verschränkte Photonen verhalten sich wie telepathisch begabte Zwillinge - Drillinge oder Vierlinge. Sie bilden ein quantenmechanisches System mit der drei- oder vierfache Energie eines Einzelphotons - auch dann noch, wenn sie räumlich getrennt sind. Da sich Energie und Wellenlänge eines Photons umgekehrt proportional zueinander verhalten, folgt, dass sich die Drillinge und Vierlinge wie Teilchen mit einem Drittel und einem Viertel der Wellenlänge eines Einzelphotons verhalten - und für sie die Beugungsgrenze somit verschoben ist. (red, DER STANDARD, Print, 14.5.2004) © 2004 derStandard.at - Alle Rechte vorbehalten. Nutzung ausschließlich für den privaten Eigenbedarf. Eine Weiterverwendung und Reproduktion über den persönlichen Gebrauch hinaus ist nicht gestattet. http://derstandard.at/druck.asp?id=1664472 08.06.2004 BerlinOnline: Wie mehr Daten auf eine CD passen Seite 1 von 2 Berliner Zeitung Donnerstag, 13. Mai 2004 Wie mehr Daten auf eine CD passen Höhere Auflösung mit verschränkten Lichtteilchen luh. Physikern aus Kanada und Österreich ist es gelungen, die Lichtteilchen (Photonen) eines Laserstrahls so miteinander zu verbinden, dass mit ihrem Licht wesentlich feinere Strukturen erkannt werden können als bisher. Diese Methode könnte helfen, in Zukunft beispielsweise die Datendichte auf CDs deutlich zu erhöhen, berichtet das Wissenschaftsmagazin Nature. Sie beruht auf der Verschränkung von Photonen. Diese besondere Eigenschaft von Teilchen gibt es nur in der Welt der Quantenphysik. Werden zwei Photonen miteinander verschränkt, verhalten sie sich so wie ein einziges Teilchen. Daten sind auf einer CD in kleinen Vertiefungen (Pits) gespeichert. Ein Laserstrahl kann die Informationen nur lesen, wenn diese Pits nicht kleiner sind als die halbe Wellenlänge des Lichts. Sind sie kleiner, wird das Licht gebeugt. Deshalb stellt dieses Maß die physikalische Grenze für die Datendichte auf den Silberscheiben dar. Mit Hilfe der Verschränkung kann diese Grenze jedoch durchbrochen werden, haben Morgan Mitchell und seine Kollegen von der Toronto University jetzt herausgefunden. Sie verschränkten jeweils drei Lichtteilchen miteinander. Dadurch sank die Beugungsgrenze auf ein Drittel der Wellenlänge des Lasers. Ein Forscherteam um Philip Walther von der Universität Wien ging noch weiter und verschränkte vier Photonen miteinander. Bei dieser Konstellation lag die Auflösungsgrenze sogar bei nur einem Viertel der Wellenlänge. Theoretisch wäre es sogar möglich, noch mehr Photonen miteinander zu verbinden, um damit immer feinere Strukturen erkennen zu können, schreibt der Physiker Dirk Bouwmeester von der University of California in einem Kommentar zu den neuen Erkenntnissen. In der Praxis bereite das allerdings noch Probleme, http://www.berlinonline.de/.bin/print.php/berliner-zeitung/wissenschaft/340244.html 08.06.2004 BerlinOnline: Wie mehr Daten auf eine CD passen Seite 2 von 2 weil die von den Mini-Pits reflektierte Lichtenergie so gering ist, dass es immer schwerer wird, sie fehlerfrei zu messen. (luh.) Nature, Bd. 429, S. 158 http://www.BerlinOnline.de/berliner-zeitung/wissenschaft/340244.html www.BerlinOnline.de © 2004 BerlinOnline Stadtportal GmbH & Co. KG, 08.06.2004 http://www.berlinonline.de/.bin/print.php/berliner-zeitung/wissenschaft/340244.html 08.06.2004 Forschung Seite 1 von 2 Alles im Fluss Untersuchungen mit Synchrotronstrahlung bringen die gewohnten Vorstellungen über die Struktur von flüssigem Wasser zu Fall. Berlin - Wasser faszinierte schon Wissenschaftler der Antike, für sie war es einst der "Grund"-Elemente und ein Schlüssel zum Verständnis von Natur und Leben. Heute weiß zwar jedes Schulkind, dass Wasser aus zwei Elementen besteht und wir kennen unzählige lebenswichtige Prozesse, die ohne Wasser nicht stattfinden könnten. Wie wenig wir aber tatsächlich wissen, zeigen neue Ergebnisse eines Teams von zwölf Wissenschaftlern unter Anders Nilsson (Stanford Linear Accelerator Center) und Lars G.M. Pettersson (Universität Stockholm), die jetzt in Science erschienen sind. Sie beobachteten, dass in Wasser die Moleküle untereinander viel schwächer zusammenhalten als gedacht. Und weiter: "Während man bisher nicht einmal wusste, ob sich die Moleküle überhaupt irgendwie ordnen oder ob komplette Unordnung herrscht, glauben wir, dass die Wassermoleküle Ketten oder Ringe bilden", sagt Philippe Wernet, Erstautor der Studie und mittlerweile am Berliner Elektronenspeicherring BESSY. Die Aufsehen erregenden Ergebnisse könnten ein Durchbruch beim Verständnis von Wasser sein. Struktur der ersten Koordinierungsschale von flüssigem Wasser. (Quelle: BESSY/H. Ogasawara) Wasser ist außergewöhnlich: Z.B. ist seine Dichte bei 4 °C maximal, also im flüssigen statt im festen Zustand wie bei anderen Stoffen. Deswegen ist Eis leichter als Wasser und schwimmt. Auch ist es unersetzlich für die Chemie in Zellen - in keiner anderen Flüssigkeit laufen die lebenswichtigen Reaktionen so ab wie in Wasser. Diese und andere Eigenschaften zeigen, dass Wasser eine viel komplexere Flüssigkeit ist, als die einfache Formel H O vermuten lässt! 2 In Eis ist jedes Molekül mit vier Nachbarn über Wasserstoffbrücken verbunden: Diese basieren auf elektrostatischen Kräften und verknüpfen je ein leicht positives Wasserstoffatom mit dem leicht negativen Sauerstoffatom eines Nachbarmoleküls. Da Sauerstoff zwei Wasserstoffbrücken bilden kann, Wasserstoff eine, hat jedes Wassermolekül vier Nachbarn in einer Kristallstruktur. Schmilzt Eis, brechen Wasserstoffbrücken aufgrund der thermischen Bewegung der Moleküle. Zwar halten sie auch im Wasser kurzfristig Moleküle zusammen, jedoch entstehen und brechen sie mit unglaublicher Dynamik: Jede Bindung existiert nur eine Pikosekunde (Tausendmilliardstel einer Sekunde) und die Kristallstruktur verschwindet. Bisher glaubten Wissenschaftler, dass sich beim Schmelzen von Eis nicht "allzu viel" ändere. Obwohl niemand die Moleküle beobachten konnte, ging man davon aus, dass sie jederzeit im Schnitt 3,5 Wasserstoffbrücken bilden. Diese Zahl beruhte auf theoretischen Annahmen: Modellrechnungen liefern die bekannten Eigenschaften von Wasser (z. B. die ungewöhnlich große Wärmemenge zum Aufheizen), wenn eine durchschnittliche Bindungszahl von etwa 3,5 angenommen wird. "Mit der RöntgenabsorptionsSpektroskopie untersuchten wir erstmals die "lokale Struktur" von Wasser und fanden heraus, dass die früheren Annahmen falsch sind", sagt Philippe Wernet. Zwar beobachten auch sie bis zu vier Bindungen. Aber nur zwei sind Wasserstoffbrücken, die anderen sind wesentlich schwächer und damit instabiler. "Wir http://www.pro-physik.de/Phy/External/News/phy_print/1,5108,2-2-0-0-1,00.html?rec... 08.06.2004 Forschung Seite 2 von 2 sehen auch, dass eine der beiden Wasserstoffbrücken an einem Wasserstoff-, die andere an einem Sauerstoffatom lokalisiert ist. Das ließe sich dadurch erklären, dass die Moleküle Ringe oder Ketten bilden." Noch vor wenigen Jahren waren Strukturuntersuchungen an Wasser unmöglich. Man benötigt dazu Röntgenlicht, das den Spektralbereich um 540 eV abdeckt. Weil dieses Röntgenlicht von Luft absorbiert wird, muss der Strahl in einem evakuierten Rohr zum Experiment geleitet und das Wasser in einer separaten Zelle in den Strahl gebracht werden. Dabei absorbiert das Fenster zwischen Zelle und Strahlrohr einen Großteil des Röntgenlichtes. Bei bisherigen Strahlungsquellen reichte die verbliebene Intensität nicht für Strukturuntersuchungen an Wasser. Erst moderne Synchrotronstrahlungsquellen wie die "Advanced Photon Source" und die "Advanced Light Source" in den USA, "MAX Lab" in Schweden und BESSY II in Berlin liefern so intensives Licht, dass genug Röntgenphotonen für die Experimente bleiben. Die nächste Generation Röntgenlichtquellen verspricht noch weiterreichende Erkenntnisse: "Einer der wichtigsten Anwendungsbereiche künftiger Röntgenlaser wird die Untersuchung der dynamischen Prozesse bei Reaktionen in Wasser sein", sagt Philippe Wernet. Röntgenlaser wie der von BESSY geplante Freie Elektronen Laser haben nicht nur eine noch höhere Lichtintensität, sie liefern die Photonen auch in ultrakurzen Pulsen von wenigen Femtosekunden Länge (Tausendstel einer Pikosekunde). Mit ihnen ließe sich die Dynamik von Wasser untersuchen: Zunächst bricht ein Laserpuls die vorhandenen Wasserstoffbrücken. Mit zeitlich versetzten Röntgenabsorptionsmessungen beobachtet man dann den Zustand der Moleküle. Weil die Röntgenblitze so kurz sind, erhält man eine Folge von "Momentaufnahmen", die aneinander gereiht die Entstehung der neuen Bindungen zeigen. Auch Reaktionen in Wasser, dem wichtigsten Lösungsmittel, ließen sich verfolgen. Da Wasser und die gelösten Moleküle getrennt untersucht werden könnten, bekäme man ein vollständiges Bild und könnte z. B. klären, wie Wasser an der Reaktion teilnimmt und sie beeinflusst. Quelle: idw Weitere Infos: z Originalverffentlichung Ph. Wernet, D. Nordlund, U. Bergmann, M. Cavalleri, M. Odelius, H. Ogasawara, L. Å. Näslund, T. K. Hirsch, L. Ojamäe, P. Glatzel, L. G. M. Pettersson, and A. Nilsson, The Structure of the First Coordination Shell in Liquid Water, Science 304,995 (2004). http://dx.doi.org/10.1126/science.1096205 z SSRL- Stanford Synchrotron Radiation Laboratory: http://www-ssrl.slac.stanford.edu z Bessy: http://www.bessy.de z Spezielle Dokumente und Informationen zur Struktur von Wasser finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Publikationen. © www.pro-physik.de [ Drucken ] [ Schließen ] http://www.pro-physik.de/Phy/External/News/phy_print/1,5108,2-2-0-0-1,00.html?rec... 08.06.2004 heise online - Schrumpfkur für Lichtpakete 1 http://www.heise.de/newsticker/meldung/print/47354 14.05.2004 11:09 Schrumpfkur für Lichtpakete Physikern in Wien und Toronto ist es geglückt, mehr als zwei Photonen miteinander zu verschränken und mit diesen "Mehr-Photonen-Paketen" sehr genaue Positionsmessungen durchzuführen. Damit konnten die beiden Teams die optische Beugungsgrenze geschickt umgehen. Das Verfahren ließe sich beispielsweise für Hochpräzisionsmessungen sowie zur Herstellung noch feinerer Strukturen auf Mikrochips nutzen. Die Wissenschaftler beschreiben das Experiment in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature[1] (Nature Vol 429, Nr. 6988, S. 161 und 164). An der University of Toronto versetzten die Wissenschaftler um Aephraim Steinberg dazu jeweils drei Lichtteilchen in diesen Zustand, während Anton Zeilinger und seine Kollegen, die vor kurzem[2] die erste quantenkryptographisch gesicherte Banküberweisung demonstriert hatten, in Wien dasselbe Kunststück mit vier Photonen vollführten. Sie schufen damit quantenmechanische Systeme, die eine Wellenlänge von nur einem Drittel beziehungsweise einem Viertel der Wellenlänge der Einzelphotonen aufwiesen. Ein optisches Gesetz, das normalerweise das Auflösungsvermögen optischer Geräte beschränkt, wird damit unterlaufen. Es besagt, dass nur Strukturen abgebildet oder auch geschaffen werden können, die von ihrer Größe her mit der Wellenlänge des eingesetzten Lichts vergleichbar sind. Die so genannte Verschränkung von Teilchen ist ein zutiefst quantenmechanisches Phänomen: Zwei Photonen können demnach dermaßen eng miteinander verbunden werden, dass ein Physiker über die Messung zum Beispiel der Polarisation des einen "Zwillings" sofort diejenige des anderen erfährt, auch wenn dieser Lichtjahre entfernt wäre. Solche Paare können die Forscher heute relativ bequem über ein Verfahren erzeugen, das als parametrische Fluoreszenz ("parametric down-conversion") bezeichnet wird. Ein Kristall mit nichtlinearen optischen Eigenschaften spielt dabei die Hauptrolle. Tritt ein Laserstrahl durch ihn hindurch, wird das eine oder andere Photon in zwei verschränkte Photonen mit doppelter Wellenlänge beziehungsweise je einer Hälfte der Energie aufgespalten. Die Wellenlänge des Paars als Gesamtsystem ist dabei wieder diejenige des Vorgänger-Photons, sodass hier für eine höhere Auflösung "nichts gewonnen" ist. Anders steht es um die neuen Experimente. Paare dieser Art stellten hier das Ausgangsmaterial dar, mit dem jedes Team auf seine Weise und einigermaßen trickreich Pakete aus drei oder vier verschränkten Photonen in die Welt setzte. Sowohl in Toronto als auch in Wien konnten die Forscher daraufhin eine Längen- bzw. Positionsmessung durchführen, die wie erwartet drei- beziehungsweise viermal so genau ausfiel wie es mit unverschränkten Photonen der Fall gewesen wäre. Viel versprechend ist, dass beide Experimente nach Aussagen der Forscher "skalierbar" sind. Es wird also möglich sein, sie zur Erzeugung noch größerer "Mehr-Photonen-Pakete" auszubauen. (Veronika Winkler) / (wst[3]/c't) (wst/c't) URL dieses Artikels: http://www.heise.de/newsticker/meldung/47354 Links in diesem Artikel: [1] http://www.nature.com// [2] http://www.heise.de/security/news/meldung/46738 [3] mailto:[email protected] 01.06.2004 13:13
