Quantenphysik: Abstoßende Verbindung
Eingezwängt verhalten sich viele Wesen außergewöhnlich. Trotz Abneigung anderen gegenüber, gehen einige eine ungewöhnliche Liaison ein. In der Welt der Physik ist das ganz ähnlich.
© Universität Innsbruck (Ausschnitt)
Nach dem Grund gefragt, warum sich Elektronen und Protonen zu Atomen zusammenfinden oder Planeten um die Sonne kreisen, bekommt man meist die richtige Antwort zugerufen: Zwischen ihnen wirkt eine anziehende Kraft! Doch ist das nur die halbe Wahrheit. Denn auf die Nachfrage, warum die Erde dann beispielsweise nicht in den zentralen Glutofen stürzt, blickt man häufig in ratlose Gesichter. Auf des Rätsels Lösung kam bereits der englische Ausnahme-Naturforscher Isaak Newton (1643-1727): Zu jeder Kraft gibt es eine Gegenkraft, die das System in der Balance hält, damit es nicht kollabiert. Im Falle der Erde ist das die Fliehkraft des durchs All sausenden Globus.
Damit ist unser Weltbild wieder in Ordnung. Wäre da nicht die Quantenmechanik, die immer wieder mit einigen Überraschungen aufwartet. Behauptet sie doch: Um zwei oder mehrere Teilchen aneinander zu binden, bedarf es gar keiner anziehenden Kraft; eine abstoßende reicht vollends.
So verblüfften zunächst die Festkörperphysiker die Fachwelt mit der Behauptung, dass in Supraleitern bei sehr tiefen Temperaturen jeweils zwei Elektronen eine innige Partnerschaft eingehen, um fortan gemeinsam als so genannte Cooper-Paare durch das Gitter der Atomrümpfe zu gleiten, ohne anzuecken. Das Erstaunliche: Die Elektronen sind gleichnamig geladen und müssten sich nach den klassischen Regeln der Elektrodynamik eigentlich abstoßen. Schon dieses Phänomen lässt also durchblicken, dass die Quantenmechanik, die unter extremen Bedingungen die Wechselwirkung der Teilchen untereinander dominiert, manch Merkwürdiges hervorruft – insbesondere wenn Partikel eng zusammengepfercht werden.
Nun hat eine österreichische Arbeitsgruppe um Johannes Hecker Denschlag von der Universität Innsbruck zusammen mit Kollegen des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation Innsbruck ebenfalls etwas sehr Außergewöhnliches erschaffen: zweiatomige Moleküle aus Rubidium. In natura fiele den Teilchen diese Zweierbeziehung beileibe nicht ein. Doch brachten Denschlag und seine Mitarbeiter das quantenmechanische Innere dieses Elements zum Vorschein, indem sie die Atome extrem stark kühlten und sie dann in einem Gitter aus gekreuzten Laserstrahlen einfingen. Die Rubidiumatome verteilen sich in dem Muster aus Licht ähnlich wie Murmeln in einem Eierkarton: In den optischen "Mulden" – in der Fachsprache spricht man von Potenzialtöpfen – befinden sich entweder ein oder zwei Teilchen, oder sie bleiben frei.
Da sich die Atome dieses Elementes am liebsten gegenseitig auf Distanz halten, leeren sich die Mulden, in denen zufällig zwei oder mehr Partikel fallen, sehr rasch, bis nur noch eines pro Vertiefung übrig bleibt. Im Gegensatz zu handfesten Murmeln beherrschen atomare Teilchen nämlich noch einen weiteren erstaunlichen Zaubertrick: Sie können quasi durch Wände gehen. Quantenmechaniker nennen dieses Phänomen Tunneleffekt.
Der Fluchtinstinkt hat darüber hinaus einen weiteren Grund: Alle Korpuskel auf der ganzen Welt haben das Bestreben, möglichst sparsam mit ihrer Energie umzugehen. Daher suchen sie sich – soweit möglich – einen Platz, an dem sie energetisch nicht angeregt sind, sondern ein Minimum an Energie besitzen. Diesen Zustand nennen die Physiker Grundzustand. So bleibt eine Murmel beispielsweise nicht einfach irgendwo am Rand des Eierkartons kleben, sondern sie macht es sich im tiefsten Tal gemütlich.
Ähnlich verhalten sich quantenmechanische Partikel. Mit einer Ausnahme: Sie erreichen nie den Boden der Mulde. Die Naturwissenschaftler erklären das mit einem fortwährenden "Zittern" der Teilchen. Sie kommen nie ganz zur Ruhe und besitzen stets eine so genannte Nullpunktsenergie. Das bewirkt, dass sie bildlich gesprochen stets über Grund schweben. Wie hoch, das hängt ganz davon ab, um welche Teilchen es sich genau handelt, in welcher Art Käfig sie gefangen sind und ob sie zusätzlich Energie von außen angeboten bekommen. Den tiefstmöglichen Platz kann zudem meist nur ein einziges Teilchen einnehmen. Wenn eine Mulde besetzt ist, müssen sich nachfolgende Korpuskel eben eine suchen, die frei ist, und sei es, dass sie dafür durch Wände gehen.
Die österreichischen Wissenschaftler konnten nun errechnen, dass eine Dublette aus zwei Rubidium-Atomen es sich ebenfalls in den Mulden des optischen Gitters bequem machen kann, wenn die Atome so etwas wie eine Bindung eingehen. Ihr gemeinsamer Grundzustand, der durch eine so genannte Feshbach-Resonanz charakterisiert ist, liegt dann zwar etwas höher als der von den Einzelgängern. Er liegt aber noch innerhalb der Potenzialtöpfe, die das gekreuzte Laserlicht bildet.
Um den Teilchen diese Alternative zu bieten und sie für einen Schulterschluss zu interessieren, griffen die Wissenschaftler in die Trickkiste. Sie legten ein Magnetfeld von etwa 1000 Gauss über ihren optischen Eierkarton und erhöhten damit die potenzielle Energie der dort gefangenen Rubidium-Atome. Und in der Tat reizten sie damit einige Korpuskel, sich mit einem Partner zu liieren.
Offenbar handelt es sich dabei sogar um eine relativ feste Allianz, denn die gebundenen Teilchen es auf einmal nicht mehr so eilig hatten, sich gegenseitig aus dem Weg zu gehen. Zumindest blieben sie einige hundert Millisekunden zusammen, was in der Atomphysik eine halbe Ewigkeit ist.
Zwar konnten die so gebildeten Moleküle – wie ganz normale quantenmechanische Teilchen – durch Wände hindurch tunneln, zerfallen konnten sie dagegen kaum. Der Grund: Wenn die Einzelteile sich trennen wollen, müssen beide Bestandteile wieder in den atomaren Grundzustand springen. Dadurch würde die überschüssige Energie zwischen dem molekularen und dem atomaren Grundzustand frei. Diese müsste nach dem Gesetz der Erhaltung der Energie von irgendeinem weiteren Partner aufgenommen werden. In der Konstellation, die Denschlag und sein Team gewählt haben, ist aber weit und breit kein geeigneter Kandidat in Sicht, der diese Aufgabe übernehmen kann. Daher ziehen es die Rubidium-Atome vor, zusammenzubleiben.
Nach Ansicht des Forscherteams sind gebundene Zustände zwischen sich abstoßenden Teilchen gar nichts Ungewöhnliches. Prinzipiell kämen sie auch in ganz normalen Materialien vor, beispielsweise wenn sich Elektronen durch das Kristallgitter eines Festkörpers bewegen. Da diese Art Moleküle im Allgemeinen aber energetisch höher liegende Grundzustände besitzen, zerfallen sie sehr rasch, wobei sie ihre überschüssige Energie im Normalfall ohne Probleme an das Kristallgitter abgeben können. Deshalb sind sie bislang nicht beobachtet worden.
Mit diesen Erkenntnissen glauben die Experimentatoren nun, einige Phänomene der Festkörperphysik besser verstehen zu lernen, beispielsweise einige Geheimnisse der Supraleitung oder von so genannten photonischen Kristallen, in denen Licht eine Art Bandstruktur aufweist – ähnlich wie Elektronen in einem Halbleiter.
Damit ist unser Weltbild wieder in Ordnung. Wäre da nicht die Quantenmechanik, die immer wieder mit einigen Überraschungen aufwartet. Behauptet sie doch: Um zwei oder mehrere Teilchen aneinander zu binden, bedarf es gar keiner anziehenden Kraft; eine abstoßende reicht vollends.
So verblüfften zunächst die Festkörperphysiker die Fachwelt mit der Behauptung, dass in Supraleitern bei sehr tiefen Temperaturen jeweils zwei Elektronen eine innige Partnerschaft eingehen, um fortan gemeinsam als so genannte Cooper-Paare durch das Gitter der Atomrümpfe zu gleiten, ohne anzuecken. Das Erstaunliche: Die Elektronen sind gleichnamig geladen und müssten sich nach den klassischen Regeln der Elektrodynamik eigentlich abstoßen. Schon dieses Phänomen lässt also durchblicken, dass die Quantenmechanik, die unter extremen Bedingungen die Wechselwirkung der Teilchen untereinander dominiert, manch Merkwürdiges hervorruft – insbesondere wenn Partikel eng zusammengepfercht werden.
Nun hat eine österreichische Arbeitsgruppe um Johannes Hecker Denschlag von der Universität Innsbruck zusammen mit Kollegen des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation Innsbruck ebenfalls etwas sehr Außergewöhnliches erschaffen: zweiatomige Moleküle aus Rubidium. In natura fiele den Teilchen diese Zweierbeziehung beileibe nicht ein. Doch brachten Denschlag und seine Mitarbeiter das quantenmechanische Innere dieses Elements zum Vorschein, indem sie die Atome extrem stark kühlten und sie dann in einem Gitter aus gekreuzten Laserstrahlen einfingen. Die Rubidiumatome verteilen sich in dem Muster aus Licht ähnlich wie Murmeln in einem Eierkarton: In den optischen "Mulden" – in der Fachsprache spricht man von Potenzialtöpfen – befinden sich entweder ein oder zwei Teilchen, oder sie bleiben frei.
Da sich die Atome dieses Elementes am liebsten gegenseitig auf Distanz halten, leeren sich die Mulden, in denen zufällig zwei oder mehr Partikel fallen, sehr rasch, bis nur noch eines pro Vertiefung übrig bleibt. Im Gegensatz zu handfesten Murmeln beherrschen atomare Teilchen nämlich noch einen weiteren erstaunlichen Zaubertrick: Sie können quasi durch Wände gehen. Quantenmechaniker nennen dieses Phänomen Tunneleffekt.
Der Fluchtinstinkt hat darüber hinaus einen weiteren Grund: Alle Korpuskel auf der ganzen Welt haben das Bestreben, möglichst sparsam mit ihrer Energie umzugehen. Daher suchen sie sich – soweit möglich – einen Platz, an dem sie energetisch nicht angeregt sind, sondern ein Minimum an Energie besitzen. Diesen Zustand nennen die Physiker Grundzustand. So bleibt eine Murmel beispielsweise nicht einfach irgendwo am Rand des Eierkartons kleben, sondern sie macht es sich im tiefsten Tal gemütlich.
Ähnlich verhalten sich quantenmechanische Partikel. Mit einer Ausnahme: Sie erreichen nie den Boden der Mulde. Die Naturwissenschaftler erklären das mit einem fortwährenden "Zittern" der Teilchen. Sie kommen nie ganz zur Ruhe und besitzen stets eine so genannte Nullpunktsenergie. Das bewirkt, dass sie bildlich gesprochen stets über Grund schweben. Wie hoch, das hängt ganz davon ab, um welche Teilchen es sich genau handelt, in welcher Art Käfig sie gefangen sind und ob sie zusätzlich Energie von außen angeboten bekommen. Den tiefstmöglichen Platz kann zudem meist nur ein einziges Teilchen einnehmen. Wenn eine Mulde besetzt ist, müssen sich nachfolgende Korpuskel eben eine suchen, die frei ist, und sei es, dass sie dafür durch Wände gehen.
Die österreichischen Wissenschaftler konnten nun errechnen, dass eine Dublette aus zwei Rubidium-Atomen es sich ebenfalls in den Mulden des optischen Gitters bequem machen kann, wenn die Atome so etwas wie eine Bindung eingehen. Ihr gemeinsamer Grundzustand, der durch eine so genannte Feshbach-Resonanz charakterisiert ist, liegt dann zwar etwas höher als der von den Einzelgängern. Er liegt aber noch innerhalb der Potenzialtöpfe, die das gekreuzte Laserlicht bildet.
Um den Teilchen diese Alternative zu bieten und sie für einen Schulterschluss zu interessieren, griffen die Wissenschaftler in die Trickkiste. Sie legten ein Magnetfeld von etwa 1000 Gauss über ihren optischen Eierkarton und erhöhten damit die potenzielle Energie der dort gefangenen Rubidium-Atome. Und in der Tat reizten sie damit einige Korpuskel, sich mit einem Partner zu liieren.
Offenbar handelt es sich dabei sogar um eine relativ feste Allianz, denn die gebundenen Teilchen es auf einmal nicht mehr so eilig hatten, sich gegenseitig aus dem Weg zu gehen. Zumindest blieben sie einige hundert Millisekunden zusammen, was in der Atomphysik eine halbe Ewigkeit ist.
Zwar konnten die so gebildeten Moleküle – wie ganz normale quantenmechanische Teilchen – durch Wände hindurch tunneln, zerfallen konnten sie dagegen kaum. Der Grund: Wenn die Einzelteile sich trennen wollen, müssen beide Bestandteile wieder in den atomaren Grundzustand springen. Dadurch würde die überschüssige Energie zwischen dem molekularen und dem atomaren Grundzustand frei. Diese müsste nach dem Gesetz der Erhaltung der Energie von irgendeinem weiteren Partner aufgenommen werden. In der Konstellation, die Denschlag und sein Team gewählt haben, ist aber weit und breit kein geeigneter Kandidat in Sicht, der diese Aufgabe übernehmen kann. Daher ziehen es die Rubidium-Atome vor, zusammenzubleiben.
Nach Ansicht des Forscherteams sind gebundene Zustände zwischen sich abstoßenden Teilchen gar nichts Ungewöhnliches. Prinzipiell kämen sie auch in ganz normalen Materialien vor, beispielsweise wenn sich Elektronen durch das Kristallgitter eines Festkörpers bewegen. Da diese Art Moleküle im Allgemeinen aber energetisch höher liegende Grundzustände besitzen, zerfallen sie sehr rasch, wobei sie ihre überschüssige Energie im Normalfall ohne Probleme an das Kristallgitter abgeben können. Deshalb sind sie bislang nicht beobachtet worden.
Mit diesen Erkenntnissen glauben die Experimentatoren nun, einige Phänomene der Festkörperphysik besser verstehen zu lernen, beispielsweise einige Geheimnisse der Supraleitung oder von so genannten photonischen Kristallen, in denen Licht eine Art Bandstruktur aufweist – ähnlich wie Elektronen in einem Halbleiter.
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