In de onderzoekswereld diffusie wordt opgevat als een proces waarbij kleine deeltjes zich uniform door een gas of vloeistof verspreiden. Hoewel deze media uit afzonderlijke deeltjes bestaan, diffusie wordt gezien als een continu proces. Tot dusver, de effecten van een individuele botsing tussen deeltjes - de hoeksteen van diffusie - waren niet waargenomen. Nutsvoorzieningen, natuurkundigen in Kaiserslautern en Erlangen zijn erin geslaagd de fundamentele stappen van diffusie door individuele atomen in een gas waar te nemen en hebben een theoretische beschrijving van dit mechanisme gegeven. De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Bijna tweehonderd jaar geleden, de Schotse arts en onderzoeker Robert Brown merkte op dat stuifmeeldeeltjes trillen als ze door een vloeistof bewegen. Kleine deeltjes, zoals moleculen of atomen, vergelijkbaar gedrag vertonen als ze zich verspreiden in gassen en vloeistoffen. Als gevolg van een groot aantal willekeurige botsingen, de deeltjes vertonen een zigzagpatroon van bewegingen waardoor verschillende stoffen zich vermengen. Wetenschappers noemen deze zigzagbewegingen "Brownse beweging" en de verspreiding en vermenging van verschillende stoffen als diffusie.

"Diffusie is een sleutelfenomeen in veel wetenschapsgebieden en vormt de basis voor tal van transportprocessen, bijvoorbeeld in levende cellen of energieopslagapparaten, " zegt professor Arthur Widera, die aan de TU Kaiserslautern onderzoek doet naar de kwantumfysica van individuele atomen en ultrakoude kwantumgassen. "Daarom is het belangrijk om inzicht te hebben in diffusieprocessen in bijna elk gebied van de levenswetenschappen, de natuurwetenschappen, en technologische ontwikkeling."

Een makkelijke, vereenvoudigd begrip van diffusie kan worden verkregen door de individuele botsingen tussen deeltjes te negeren. "In deze context, we spreken ook van een continu medium met, bijvoorbeeld, een groter deeltje dat erin diffundeert. Deze vereenvoudiging wordt des te nauwkeuriger naarmate de massa van de deeltjes in het medium kleiner wordt en de frequentie van botsingen hoger wordt, " zegt Dr. Michael Hohmann, die onderzoeker is in de groep van professor Widera en eerste auteur van deze studie. Een alledaags voorbeeld is mist, dat ook als een dergelijk medium kan worden beschouwd, hoewel het eigenlijk uit kleine individuele waterdruppeltjes bestaat.

Voor hun experimenten, de natuurkundigen die onder Widera werkten, pasten de omstandigheden aan die kenmerkend zijn voor een continu medium:"In plaats van grote deeltjes, zoals stuifmeel, we bestudeerden de diffusie van individuele atomen die bijna dezelfde massa hebben als atomen van het gas. Verder, we gebruikten een erg koude, verdund gas om de frequentie van botsingen drastisch te verminderen, " legt Hohmann uit. Door dit te doen, de in Kaiserslautern gevestigde onderzoekers observeerden, Voor de eerste keer, hoe cesiumatomen diffunderen bij een temperatuur dichtbij het absolute nulpunt in een gas dat bestaat uit rubidiumatomen. "Dit zijn temperaturen die geen enkele koelkast kan reproduceren, dus gebruikten we laserstralen om de atomen af ​​te koelen en ze op hun plaats te houden in een vacuümapparaat. Dit vertraagde de diffusie zodanig dat het effect van individuele botsingen kon worden waargenomen, " legt professor Widera uit met betrekking tot de experimentele opstelling.

Voor de theoretische beschrijving van het experiment, de onderzoekers in Kaiserslautern kregen hulp van hun collega professor Eric Lutz, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), die hen hielp om de wiskundige modellering te ontwikkelen. "Met het nieuwe model we kunnen nu de bewegingen van de atomen nauwkeuriger beschrijven, ", zegt de onderzoeker uit Erlangen. Samen, ze toonden aan dat het voldoende is om de wrijvingscoëfficiënt in de theoretische berekening van het continue model te wijzigen. Door het zo te doen, het is ook mogelijk om gevallen te beschrijven die geen continu medium betreffen, zoals in het bovenstaande experiment. Voorbeelden van dergelijke gevallen zijn wanneer aërosolen - mengsels van zwevende deeltjes - zich verspreiden in dunne luchtlagen in de bovenste atmosfeer, in de interstellaire ruimte of in vacuümsystemen.