Staub im Käfig - Modell einer Paulfalle    Original der Jugend-forscht Arbeit

 

In der modernen Physik kann man heute einzelne Atome mit Hilfe elektrischer Felder einfangen und festhalten. Für solch eine Apparatur erhielt der deutsche Physiker Wolfgang Paul 1989 den Physik-Nobelpreis.
In einer Jugend-forscht Arbeit vom Jahr 2003 haben zwei Schüler mit einfache Schulmitteln ein Modell einer solchen Paulfalle gebaut und damit Staubteilchen gefangen. Neben dem Bau eines funktionstüchtigen Apparates stand vor allem die Berechnung der Teilchenbewegung  mit einem Modellbildungssystem im Vordergrund. Doch erst nach Einbeziehung der Schwerkraft sowie der Luftreibung gelang es damit die tatsächlich beobachtbaren Teilchenbahnen mit der Theorie zur Deckung zu bringen.
das Herz der Falle, aufgebaut aus 2 Linsenschrauben und einem Schraubhaken aus dem Baumarkt. Damit ist eine ganz grobe Annäherung an die theoretisch ideale hyperbolische Form möglich. Erst dann liegt ein lineares Kraftgesetz zu Grunde die gesamte Apparatur, einschließlich einer Beleutungsvorrichtung, die das Licht als engen Fleck auf das Fallenzentrum konzentriert und einer Schwanenhalskamera, welche die Teilchenbahnen auf einen Fernsehmonitor oder Beamer  bringt.
Die Spuren der Teilchenbahnen von etwa 20 gefangenen Bärlappsporen. Die ringförmige Elektrode ist noch schwach erkennbar. Die Frequenz der Wechselspannung betrug 50Hz, die Teilchenbahnen sind daher als Striche erkennbar, in den Umkehrpunkten verdickt. Berechnung der Teilchenbahn mit einer Modellbildung (Moebius). Aufgrund der Schwerkraft  oszilliert das Teilchen unterhalb des Fallenzentrums mit der Erregerfrequenz 50Hz. Die Luftreibung sorgt dafür, daß eine langsame Taumelbewegung, die man Makrobewegung nennt, wirksam weggedämpft wird.
eine reale Paulfalle, wie sie am Max-Planck Insitut für Quantenoptik in Garching bei München steht eine lineare Falle, mit der eine "Kette" von Ionen gefangen wird. Ein solcher Fallentyp ist eine der Denkmöglichkeiten für die Realisierung eines Quantencomputers.

Peter Fritz (Mitte) stellt sein Modell der Paulfalle Herrn Prof. Walther und einem Doktoranden des MPI für Quantenoptik in Garching vor.

 

Animation des Potenzials. Man kann sich eine Teilchen (Kugel) vorstellen, die durch die oszillierende Potenzialfläche am Herunterrollen gehindert wird.   Simulation der Teilchenbewegung mit maple. Das Teilchen wird an einer beliebigen Stelle in die Falle eingebracht und bewegt sich mit der Frequenz von 50Hz oszillierend an eine Stelle unterhalb der Fallenmitte. Damit ergibt die Simulation diesselbe Bewegung, die  im realen Bild oben links beobachtet wird.
movie1 zur Paulfalle (Aufbau des Herzstücks) :

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movie zur Teilchenbewegung

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     Original der Jugend-forscht Arbeit