13.08.2009 · Exotische Moleküle am Rande des Nullpunkts: Schon klassisch stellen drei Körper vor viele mathematische Probleme. Aber auch quantentheoretisch gehen drei Teilchen merkwürdige Zustände ein - was nun auch experimentell an Atomen gezeigt wurde.
Von Manfred Lindinger
© dpa
Eigentlich auch ein Dreikörperproblem: sicherlich klassisch zu beschreiben, aber mit interessanten psychologischen Unschärfen
Das Zusammenspiel von drei physikalischen Objekten ist eine äußerst komplizierte mathematische Angelegenheit, an der sich schon viele berühmte Mathematiker mehr oder weniger erfolglos abgemüht haben. Für großes Aufsehen sorgte daher 1970 Witali Efimow, als er ein Dreikörpersystem aus der Quantenphysik präsentierte, das überraschend einfach zu berechnen war.
Danach sollen drei Teilchen zahlreiche schwach gebundene Zustände bilden können, obwohl sie dazu paarweise nicht in der Lage sind. Was zunächst einfach klang, hat sich jedoch experimentell als äußerst harte Nuss erwiesen. So sollte es fast vierzig Jahre dauern, bis findige Physiker bei extrem kalten Gasatomen auf den mysteriösen Quantenzustand stießen. Seitdem haben sich immer mehr Forscher dieser exotischen Dreierbeziehung verschrieben. Jetzt haben italienische und deutsche Physiker neue Ergebnisse erzielt.
Unter Bosonen
Nach Efimows Vorstellung sollte der spezielle Dreierbund nur zwischen Bosonen möglich sein, also zwischen Teilchen, die sich am liebsten so nahe wie möglich kommen, was bei tiefen Temperaturen besonders ausgeprägt ist. Der russische Theoretiker schlug vor, bei Atomkernen nach den entsprechenden Zuständen zu fahnden. Dort war aber die Suche bislang ebenso vergebens wie bei dreiatomigen Heliummolekülen.
Vor drei Jahren beobachteten Forscher von der Universität Innsbruck den exotischen Dreierbund erstmals bei bosonischen Cäsiumatomen, die man mit Laserlicht bis an den Nullpunkt gekühlt hatte. Rudi Grimm und seine Kollegen ließen die Atome, die sich alle im Zustand tiefster Energie befanden, sanft miteinander kollidieren, so dass sich zunächst zweiatomige Moleküle bildeten. Diese wurden anschließend einem variablen Magnetfeld ausgesetzt, wodurch sich der Abstand zwischen den Atomen vergrößerte. Bevor die Moleküle auseinanderfallen konnten, kam es bei einer bestimmten Feldstärke zu einer Bindung zu einem dritten Cäsiumatom.
Auf diese Weise entstanden zahlreiche dreiatomige Moleküle, die alle Bedingungen von Efimows Dreiteilchenzustand erfüllten, auch wenn ihre Lebensdauer nur Bruchteile von Sekunden betrug. Vor kurzem erzielten Grimm und seine Kollegen einen weiteren Erfolg. Als sie die früheren Versuche wiederholten, entstand auch ein Verbund aus vier Cäsiumatomen, der mit dem Efimow-Zustand verwandt war ("Physical Review Letters", Bd. 102, Nr. 140401). Entfernte man nur ein Atom, zerfiel das Quartett sofort.
Atome können es auch
Bislang waren Efimow-Zustände nur von identischen bosonischen Atomen bekannt. Jetzt haben Forscher von der Universität Florenz Dreierbünde erzeugt, die aus zwei Rubidiumatomen und einem Kaliumatom beziehungsweise aus zwei Kaliumatomen und einem Rubidiumatom bestanden ("Physical Review Letters", Bd. 103, Nr. 043201). Massimo Inguscio und seine Kollegen präparierten zunächst ein kaltes atomares Gas aus beiden Atomsorten, das sie in einer magnetischen Falle gefangen hielten. Anschließend ließ man jeweils zwei Atome der gleichen Sorte behutsam zusammenstoßen. Als sie schließlich das Ensemble einem Magnetfeld aussetzten, kam es zur Bindung zwischen einem Zweierbund und einem Atom der jeweils anderen Sorte. Dass sich tatsächlich heterogene Efimow-Zustände gebildet hatten, zeigte sich an einem deutlichen Verlust an Kalium- und Rubidiumatomen, der bei einer bestimmten Feldstärke auftrat. Die fragilen Dreiteilchensysteme konnten nicht länger wie die übrigen Gasatome in der magnetischen Falle festgehalten werden und entkamen daher.
Die bisherigen Experimente konnten für jedes erzeugte Dreikörpersystem jeweils nur einen gebundenen Zustand nachweisen. Tatsächlich sollte es Efimow zufolge jedoch zahlreiche Bindungszustände unterschiedlicher Stärke geben. Zwei solcher gebundenen Zustände haben die italienischen Forscher zusammen mit Kollegen von der Universität Stuttgart bei Dreibünden aufgespürt, die in einem Gas aus Kaliumatomen entstanden waren ("Nature Physics", Bd. 5, S. 586).
wie, als, als wie ....
Falk Hammer (FalkHammer)
- 13.08.2009, 12:41 Uhr
Re: wie, als, als wie
Carsten Schäfer (carstenschaefer)
- 13.08.2009, 15:17 Uhr
