Bei einem atomaren Billardspiel – der Kollision eines Elektrons mit einem Heliumatom – haben Forscher nachgewiesen, dass alle beteiligten Quantenteilchen unter immer gleicher Anordnung auftreten. Diese neuen Messungen können erstmals theoretische Vorhersagen kritisch überprüfen und ergeben detaillierte Einblicke in die gekoppelte Mehrteilchendynamik auf atomarer Größenskala.
Helium als Modellsystem
Die Bewegung eines Systems von vier wechselwirkenden Quantenteilchen ist sehr schwer zu berechnen und konkurrierende theoretische Modelle führen zu unterschiedlichen Vorhersagen. Helium stellt ein gutes Studienobjekt dar, denn wenn im Stoß mit einem Projektil-Elektron die beiden gebundenen Elektronen herausgeschlagen werden und den doppelt geladenen Kern zurücklassen, erhält man ein ideales Vierkörpersystem. Die Bewegungen der Teilchen sind stark gekoppelt, da sie aufgrund ihrer elektrischen Ladungen Kräfte aufeinander ausüben.
Die Ergebnisse von theoretischen Rechnungen sind nun unterschiedlich was die Emissionsrichtung der insgesamt drei auslaufenden Elektronen angeht, wenn das einfallende Projektil nur wenig mehr Energie hat wie für solch einen Doppelionisationsprozess nötig ist. In diesem Schwellenenergiebereich legt es die gegenseitige Abstoßung der negativ geladenen Elektronen nahe, dass sie unter möglichst großen Abständen zueinander und damit symmetrisch mit 120° Relativwinkel erscheinen. Dies wird auch von manchen Theorien bestätigt. Andere Rechnungen ergeben jedoch eine T-Konfiguration wobei zwei Elektronen in entgegen gesetzte Richtung wegfliegen.
Konstanter Winkel bestätigt
Joachim Ullrich, Alexander Dorn und Xueguang Ren vom Max-Planck- Institut für Kernphysik in Heidelberg haben nun die Impulse der drei auslaufenden Elektronen mit einem von ihnen entwickelten, so genannten Reaktionsmikroskop gemessen und fanden, dass diese tatsächlich bevorzugt symmetrisch mit 120° Relativwinkel emittiert werden. Interessanterweise ergibt eine der erfolgreichen Rechnungen, dass diese Emissionskonfiguration nicht nur durch die Elektronenabstoßung geprägt wird, sondern auch von der anfänglichen Anordnung der Elektronen im Atom. So soll
bei Lithium dessen Hülle drei Elektronen beherbergt, also eines mehr als Helium, tatsächlich eine T-Konfiguration beobachtet werden können. Die experimentelle Überprüfung dieser Reaktion stellt nun das nächste Ziel der Heidelberger Forscher dar.
Solche fundamentalen und einfachen Systeme stellen für die Modellierung korrelierter Vielteilchendynamik eine Messlatte dar, um hiervon ausgehend den Weg zur Beschreibung komplexerer Systeme und Phänomene zu bereiten, welche gleichzeitig auch von größerer praktischer Relevanz sind. Vor allem im Lichte der rasanten Entwicklungen in der Nanotechnologie und der damit verbundenen Miniaturisierung zu immer kleineren Skalen, wird das detaillierte Verständnis der korrelierten Mehrteilchen-Quantendynamik von wachsender Bedeutung sein.
(Max-Planck-Institut für Kernphysik, 07.10.2008 – NPO)
