Kollisionen im kalten Gas

Dank neuer Technik ist es möglich, einzelne Atome fest­zu­halten, gezielt zu bewegen oder ihren Zustand zu ver­ändern. In einer aktu­ellen Studie haben Forscher um Artur Widera und Felix Schmidt von der TU Kaisers­lautern und Eber­hard Tiemann von der Uni Hannover die Folgen des Zusammen­stoßes zweier Atome in einem schwachen Magnet­feld bei geringer Tempe­ratur unter­sucht. Erst­mals haben sie beob­achtet, dass die Atome, deren Dreh­impuls quanti­siert ist, hierbei zwei Quanten aus­tauschen. Auch zeigte sich, dass sich die Wechsel­wirkungs­stärke zwischen den Atomen dabei steuern lässt. Inte­res­sant ist das, um etwa chemische Reak­tionen zu unter­suchen.

Die Forscher verwenden dabei ein Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidium-Atomen. Sie unter­suchten, welche Effekte es gibt, wenn ein ein­zelnes Cäsium-Atom auf ein Rubidium-Atom trifft. Um die Teil­chen zu beob­achten, müssen die Forscher sie zunächst auf Tempe­ra­turen dicht über dem abso­luten Tempe­ratur­null­punkt abkühlen. „Im Anschluss haben wir die Atome mit einer optischen Pinzette mit­ein­ander in Kontakte gebracht“, sagt Schmidt. Hierbei werden Atome mit­hilfe von Laser­strahlen fest­ge­halten. Die Forscher haben nun ein ein­zelnes Cäsium-Atom in das Rubidium-Gas gegeben, um zu messen, was vor und nach dem Zusammen­stoß der Atome passiert.

Die Wissenschaftler haben beobachtet, wie die Teil­chen beim Stoß ihren Dreh­impuls ändern, indem sie den Zustand des ein­zelnen Cäsium-Atoms vor und nach dem Zusammen­stoß ver­messen haben. Die Forscher haben beob­achtet, dass die Atome bei einem ein­zelnen Stoß gleich zwei Dreh­impuls-Quanten auf einmal aus­tauschen können. Beob­achtet wurde bisher ledig­lich der Aus­tausch eines ein­zelnen Quanten. „Das ist nur möglich, weil wir das Experi­ment in einem niedrigen Magnet­feld durch­ge­führt haben“, sagt Schmidt. Auf diese Weise ist die Energie der Atome so niedrig, dass vor allem die Wechsel­wirkung zwischen den ein­zelnen Bau­steinen der beiden das Ergebnis des Stoßes bestimmt. „Dadurch ist es möglich, dass es gleich­zeitig zum Über­trag von zwei Elementar-Quanten kommt, also zur zwei­fachen Ände­rung des Dreh­impulses“, so Schmidt weiter.

Darüber hinaus haben die Wissenschaftler einen weiteren Effekt beob­achtet. „Das schwache Magnet­feld und die geringe Bewegungs­energie führen dazu, dass die Atome auch bei einem Abstand tausend­mal größer als die Atome selbst zuein­ander in Wechsel­wirkung stehen“, fährt Schmidt fort. Ändert man gezielt die Stärke des Magnet­felds, ließe sich auch diese Wirkung steuern. Der Effekt steht im direkten Zusammen­hang mit einem sehr großen und sehr schwach gebun­denen Molekül­zustand zwischen beiden Teil­chen. „Indirekt konnten wir so ein riesiges Molekül von circa zwei Mikro­metern Größe beob­achten“, sagt Schmidt.

Diese Kenntnisse über die Wechselwirkung zwischen Teil­chen bei sehr nied­rigen Energien können zum Beispiel helfen, um Bindungen bei Mole­külen zu unter­suchen. Sie bestehen wenig­stens aus zwei Atomen, die über Wechsel­wirkungen mit­ein­ander ver­bunden sind. Damit wäre es unter anderem möglich, sehr große Mole­küle zu prä­pa­rieren und zu erforschen.

TU Kaiserslautern / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. Schmidt et al.: Tailored single-atom collisions at ultra-low energies, Phys. Rev. Lett. 122, 013401(2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.013401
• Individual Quantum Systems (A. Widera), FB Physik, Technische Universität Kaiserslautern
• Molekulare Quantengase, Institut für Quantenoptik, Fklt. für Mathematik und Physik, Leibniz-Universität Hannover