Die Welt der Quanten

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Verstehen Sie, warum Elementarteilchen sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter haben können, und warum man deshalb mit Teilchen als Sonde mikroskopieren und spektroskopieren kann.

Themen:

C1 - h – wie hilfreich – Quantenphysik und das Planck´sche Wirkungsquantum
Institut für Angewandte Physik, Universität Bonn

Die Grundidee der Quantenmechanik: Energie wird nicht kontinuierlich, sondern in kleinen Paketen, den Quanten, zwischen Objekten ausgetauscht. Von dieser Grundausnahme ausgehend wurde in den 1920er Jahren die heute gebräuchliche moderne Quantenmechanik entwickelt, deren Vorhersagen und Beschreibungen die Welt der Atome und Moleküle erklär- und beherrschbar machten. Nach verschiedenen Schätzungen geht 60% der globalen Wertschöpfung heute auf Produkte zurück, deren Existenz erst durch die Quantenmechanik ermöglicht wurde, etwa die auf Transistoren basierende Computertechnik oder die Lasertechnologie.

C2 - Quanten im Experiment – Fotoeffekt und Franck-Hertz-Versuch
Institut für Angewandte Physik, Universität Bonn

Die Quantenphysik wirft immer noch viele Rätsel auf. Doch wieso glauben wir überhaupt, dass es Quanten gibt? Der Stand stellt historische Experimente vor, die maßgeblich zur Entwicklung der Quantentheorie beigetragen haben.

C3 - Das Photon und seine zwei Gesichter – Dualismuns Welle-Teilchen
Institut für Angewandte Physik, Universität Bonn

Das Licht verhält sich mal wie eine Wellenbewegung, mal wie eine Teilchenströmung, sogar wie beides zugleich – das widerspricht aber nur scheinbar dem gesunden Menschenverstand. Das Licht sich sowohl wie ein Teilchen als auch wie eine Welle verhält wird am Beispiel des Doppelspaltexperiments demonstriert.

C4 - Alles so schön bunt hier – Grundlagen der Spektroskopie mit Gitter, Prismen und Linsen
Physikalisches Institut, Universität Bonn

Die Wechselwirkung von Licht mit Materie ist die zentrale Methode, um weitgehend zerstörungsfrei Materialproben zu analysieren, Spurengase in extrem kleiner Konzentration zu identifizieren oder Informationen über weit entfernte Objekte zu erhalten. Die Grundlagen wurden bereits im 19. Jahrhundert gelegt, als Kirchhoff und Bunsen durch die spektrale Zerlegung von Licht zuerst die chemische Komposition bengalischer Feuer entschlüsselten und anschließend – mit demselben Verfahren – die Zusammensetzung von Sternen herausfanden. Diese Spektralanalyse funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie ein Regenbogen: das Licht wird mittels optischer Elemente in seine verschiedenen Farben aufgespalten und die gemessen Intensitäten der verschiedenen Farben sind der Fingerabdruck der zu untersuchenden Substanz.

C5 - Rechenkunst mit Quantentricks –  Quantencomputing mit gespeicherten Ionen
Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät, Universität Siegen

Quanteninformation – dies ist der Informationsgehalt, analog zu klassischen Bits und Bytes, der beispielsweise in dem quantenmechanischen Zustand einzelner Atome gespeichert werden kann. Aber wie können wir diese Information zugänglich machen, also initialisieren, manipulieren und auslesen? Wir zeigen hier, dass einzelne Ionen, von elektromagnetischen Feldern festgehalten, lasergekühlt und hervorragend von äußeren Einflüssen abgeschirmt, dafür eine exzellente Plattform darstellen Ionenkristalle aus geladenen Bärlappsporen lassen sich in gleicher Weise speichern und sind schwebend in einer Ionenfalle auf dem Stand zu sehen.

C6 - ML4Q: "Matter & Light for Quantum Computing" – Quanteninformationssysteme
Institut für Angewandte Physik, Universität Bonn

Mit Quantencomputern lassen sich Probleme lösen, an denen klassische Computer scheitern. Doch trotz der rasanten Entwicklung in der Technologie gibt es immer noch einiges zu tun. Wir zeigen die Ansätze, die der Cluster ML4Q zur Implementierung eines Quantencomputers verfolgt, anhand verschiedener Exponate.

C7 - Röntgenaugen für Strukturen – Experimente mit Synchrotronstrahlung an PETRA III
Forschungszentrum DESY, Hamburg

Teilchenbeschleuniger wie PETRA III am Hamburger Forschungszentrum DESY sind die hellsten Röntgenquellen der Welt. Forscher untersuchen mit diesem Supermikroskop die Nanowelt mit atomarer Auflösung. Die Erkenntnisse von PETRA III haben Anwendungen in der Physik, Materialwissenschaft, Chemie, Life Sciences und mehr. Sie helfen beispielsweise dabei, neue Materialien zu entwickeln oder die Entstehung von Krankheiten zu verstehen, um neue Medikamente zu entwickeln.

C8 - Mit dem Quant durch die Wand – Der Tunneleffekt und Tunnelmikroskopie
Forschungszentrum Jülich

Quantentheorie und Tunneleffekt sind die Grundlagen, die uns seit fast 40 Jahren erlauben Atome zu "sehen". Inzwischen ist die Tunnelmikroskopie einen Schritt weiter: Wir können Atome und Moleküle "anfassen" und mit ihnen bauen: Ein molekulares LEGO.

C9 - Tanz der Moleküle – Die europäische Röntgenlaseranlage European XFEL
European XFEL GmbH, Schenefeld

Der European XFEL ist eine einzigartige Forschungsanlage in der Metropolregion Hamburg. Seit Herbst 2017 arbeiten Forscher hier aus der ganzen Welt mit extrem intensiven Röntgenlaserblitzen, um Einblicke in den Nanokosmos zu gewinnen.

C10 - Elektronen: Teilchen oder Wellen? – Rasterelektronenmikroskopie
HITACHI High Technologies Europe GmbH, Krefeld

Selber ein Rasterelektronenmikroskop mit 15000 Volt Beschleunigungsspannung bedienen und die Geheimnisse der Nanowelt in und um uns herum entdecken? Geht! Hier bei uns in der Ausstellung.

C11 - Atome sichtbar gemacht – Transmissionselektronenmikroskopie
Fakultät für Physik, Universität Duisburg-Essen

Wie funktioniert ein Elektronenmikroskop und welche vielfältigen physikalischen Fragestellungen kann man damit heute realisieren? Erfahren Sie mehr darüber am Modell eines Elektronenmikroskops und mit Hilfe von Experimenten, bei denen Elektronenstrahlen abgelenkt und sichtbar gemacht werden.