24.01.2019

Kollisionen im kalten Gas

Zusammenstoß einzelner Atome führt zu zwei­facher Änderung des Dreh­impulses.

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.

Abb.: In dem Experiment stoßen einzelne Cs-Atome mit ultra­kalten Rb-Atomen...
Abb.: In dem Experiment stoßen einzelne Cs-Atome mit ultra­kalten Rb-Atomen zusammen. Dabei tauschen sie Dreh­impuls-Quanten aus. (Bild: F. Schmidt et al. / APS)

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

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Meist gelesen

Themen