Umstrittener Quantendreier direkt beobachtet

Im Efimov-Zustand gehen drei Atome eine Bindung ein, obwohl die Kräfte zwischen jeweils zwei der Teilchen dafür eigentlich zu schwach sind.

Der russische theoretische Physiker Vitaly Efimov sagte 1970 einen besonderen Quanten-Dreiereffekt voraus. Demnach können drei Quantenteilchen selbst dann noch eine Bindung untereinander eingehen, wenn die Kraft zwischen zwei dieser Teilchen dafür längst zu schwach ist. In der Physik war die Existenz dieses scheinbar paradoxen Zustands, der in den Kernen und Elektronenschalen von Atomen eine Rolle spielen könnte, lange umstritten. 2006 konnte der Efimov-Effekt jedoch im Experiment indirekt nachgewiesen werden. Forscher der Universität Heidelberg und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik konnten nun nachlegen und den Efimov-Effekt erstmals ganz direkt beobachten.

 

 

Abb.: Schematische Darstellung des Heidelberger Efimov-Trimers aus drei unterscheidbaren Lithium-Atomen (kleine Kugeln). Das Trimer ist als Quantenobjekt selbst so symmetrisch wie eine Kugel (grau). (Bild: MPI für Kernphysik)

Das Team um Selim Jochim manipulierte dazu ein Gas aus Lithium-6-Atomen, das sie zuvor auf etwa ein Millionstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt abgekühlt hatten. Diese Ultrakälte war nötig, weil der Efimov-Effekt "ganz, ganz schwach ist", so Jochim: "Er ist viel schwächer als die typischen Wechselwirkungen zwischen Atomen, die für chemische Bindungen sorgen." Die Forscher stellten Moleküle aus drei Lithium-6-Atomen her, sogenannte "Trimere". Allerdings ist das Efimovsche Trimer - ein kugelförmiges Quantenobjekt - viel größer als normale Trimere, wie sie die Chemie kennt. "Die Bindung des Efimov-Effekts reicht so weit, dass sich die Atome gegenseitig gar nicht mehr ,sehen’ können", erläutert Jochim. Trotzdem halten sie untereinander eine - wenn auch schwache - Dreierverbindung.

Die Physiker bremsten ihre Lithiumatome mit Laserlicht ab und fingen sie in einer magnetooptischen Falle ein. Dann mussten sie abwarten, bis zufällig drei von ihnen den genau richtigen Abstand zueinander hatten, um einen Efimov-Trimer zu bilden. Außerdem mussten jedoch noch die jeweiligen Kernspins zueinander richtig orientiert sein. Dafür, dass einer der Spins umklappte, sorgte ein Radiofeld, das im richtigen Moment in die Atomwolke einstrahlt wurde.

Dieses Radiofeld zerstörte den empfindlichen Efimov-Trimer auch sofort wieder. Doch seine kurze Lebenszeit von weniger als einer Tausendstel Sekunde genügte den Forschern, um den Efimov-Zustand näher zu untersuchen. Sie legten zum Beispiel noch ein zusätzliches Magnetfeld an, dessen Stärke sie variierten. So konnten sie nachweisen, dass die Trimere sich tatsächlich so verhalten, wie es die Theorie vorhersagt.

Max-Planck-Gesellschaft / AL