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Mysteriöser Quantenzustand : Eine Bindung, die es nicht geben dürfte

Efimov-Molekül aus drei Heliumatomen. Die drei Heliumatome bilden ein spitzwinkliges Dreieck, ihr Abstand der gelb dargestellten Quantenwolke beträgt das Hundertfache der Größe der Atome. Bild: Uni Frankfurt

Zarte Bande zwischen drei Heliumatomen: Der Efimov-Zustand ist nun auch bei Molekülen des leichten Edelgases aufgespürt worden.

          Will man das komplizierte Zusammenspiel von drei physikalischen Objekten beschreiben, stößt man schnell an mathematische Grenzen. Das mussten schon alle Astronomen erkennen, die versucht haben, die Umlaufbahnen von drei Himmelskörpern zu berechnen. Auch berühmte Mathematiker wie Euler, Lagrange und Poincaré haben sich an dem Dreikörperproblem die Zähne ausgebissen. Groß war deshalb die Überraschung, als 1970 der russisch Theoretiker Vitaly Efimov ein Dreikörpersystem aus der Quantenphysik präsentierte, das sich überraschend einfach berechnen ließ. Danach sollen drei Teilchen schwach gebundene Zustände bilden können, obwohl sie dazu paarweise untereinander keine Bindung eingehen können.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Was theoretisch zunächst einfach klang, hat sich für die Experimentalphysiker jedoch als eine äußerst harte Nuss erwiesen. So sollte es über dreißig Jahre dauern, bis österreichische Physiker erstmals Hinweise auf mysteriösen Quantenzustand bei extrem kalten und speziell präparierten Cäsiumatomen fanden. Seitdem haben sich immer mehr Forscher dieser exotischen Dreierbeziehung verschrieben. Jetzt haben Physiker aus Frankfurt am Main den fragilen Efimov-Zustand erstmals auch bei Edelgasmolekülen in einem Gasstrahl entdeckt.

          Vitaly Efimov bei einem Besuch in Innsbruck

          Das Interesse an Efimov-Zuständen ist nicht zuletzt deshalb so groß, weil sie sich sowohl bei stark wechselwirkenden Protonen und Neutronen und die aus ihnen gebildeten Atomkernen nachweisen lassen sollten als auch bei Molekülen, wo die elektromagnetische Kraft dominiert. Vitaly Efimov, der an der University of Washington in Seattle arbeitet, hatte ursprünglich vorgeschlagen, bei Atomkernen nach den exotischen Zuständen zu fahnden. Dort war aber die Suche bislang ebenso vergebens wie bei dreiatomigen Heliummolekülen, die ebenfalls als heiße Kandidaten gehandelt wurden. Auf jeden Fall sollte der spezielle Dreierbund nur zwischen Bosonen möglich sein, also zwischen Teilchen, die sich aufgrund ihrer intrinsischen Eigenschaften beliebig nahe kommen, was bei tiefen Temperaturen stark ausgeprägt ist.

          Cäsiumatome am Rande des Nullpunkts

          Davon profitierten vor neun Jahren Rudi Grimm und seine Kollegen von der Universität Innsbruck, als sie den exotischen Dreierbund bei bosonischen Cäsiumatomen beobachteten, die man mit Laserlicht bis an den absoluten Temperatur-Nullpunkt gekühlt hatte. Die Atome wurden in eine spezielle Falle gesperrt, wo man sie zunächst sanft miteinander kollidieren ließ. Dabei bildeten sich zweiatomige Cäsiummoleküle. Mit einem variablen Magnetfeld vergrößerte man dann schrittweise den Abstand der beiden Partner. Bevor die Moleküle auseinanderfielen, kam es zu einer Bindung zu einem dritten Cäsiumatom. Auf diese Weise entstanden zahlreiche dreiatomige Moleküle, die alle Bedingungen von Efimows Dreiteilchenzustand erfüllten. Allerdings betrug ihre Lebensdauer nur Sekundenbruchteile.

          An dieser Apparatur wurden in Innsbruck erstmals Efimov-Zustände an 
extrem kalten Cäsiumatomen beobachtet.

          Seit den Pionierarbeiten aus Innsbruck hat man den Efimov-Effekt auch bei anderen tiefgekühlten Alkaliatomen angetroffen. Doch blieben bei dreitatomigen Helium-Molekülen bisher alle Bemühungen erfolglos. Der Grund: Es hat sich als äußerst schwierig erwiesen, Edelgasmoleküle, die aus drei Atomen des Isotops Helium-4 bestehen, in großen Mengen zu erzeugen, zu isolieren und die Existenz des fragilen Efimov-Zustands nachzuweisen. Die Forscher um Reinhard Dörner und Maksim Kunitski von der Goethe-Universität in Frankfurt haben nun alle experimentellen Hürden überwinden können und ein stabiles Efimov-System bei dreiatomigen Helium-4-Atomen hergestellt.

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