In der Quantenwelt können Atome zwischen dem gebundenen und dem ungebundenen Status oszillieren. Wie lang dieser Überlagerungszustand anhalten kann, haben jetzt estmals Physiker nachgewiesen. In „Nature Physics“ belegen sie anhand exotischer Riesenmoleküle, dass solche Zustände für einige Millionstel Sekunden bestehen bleiben – in der atomaren Welt eine sehr lange Zeit.
In menschlichen Beziehungsdingen ist es so: Entweder man ist ein Paar oder man ist kein Paar – ein klassisches Dilemma mit zwei möglichen Wegen. In der Quantenwelt sind Paare gebundene Atome, die aufgrund von Bindungskräften als Molekül zusammen bleiben. Fehlen diese, sind die zwei Partner freie Individuen. Die Quantenmechanik erlaubt jedoch zwischen diesen beiden Extremen alle Überlagerungszustände von frei und gebunden: zum Beispiel halb frei und halb gebunden. Physiker an der Universität Stuttgart um Professor Tilman Pfau haben nun für sehr schwach gebundene Riesenmoleküle erstmals die Haltbarkeit solcher Überlagerungszustände untersucht.
Exotische Riesenmoleküle als Bindungspartner
Erst im letzten Jahr war der Stuttgarter Gruppe der experimentelle Nachweis von Rydberg-Molekülen mit ultralanger Reichweite gelungen, den sogenannten Riesenmolekülen. Dabei handelt es sich um schwach gebundene Moleküle aus einem Atom in einem hoch angeregten Zustand – einem Rydberg-Zustand – und einem „normalen“ Atom im Grundzustand. Diese Moleküle sind mit einer Bindungslänge von 100 Nanometern außergewöhnlich groß.
Damit sich das exotische Molekül bilden kann, müssen sich genau im richtigen Abstand zwei Atome im Grundzustand befinden. Da sich die Atome in einem Gas bei Zimmertemperatur zu schnell bewegen, um eine Bindung einzugehen, benutzten die Physiker ein ultrakaltes Gas aus Rubidiumatomen und bestrahlten dieses mit Laserlicht. Dadurch wird das äußere Elektron von einigen Rubidiumatomen auf eine sehr große Bahn „gehoben” und es können Rydberg-Moleküle erzeugt werden.
Oszillation zwischen gebunden und ungebunden
In dem aktuellen Experiment zeigten die Physiker nun, dass sie den Übergang vom ungebundenen Paar aus zwei Grundzustandsatomen zum gebundenen Rydberg-Molekül kohärent kontrollieren können. Das Atom-Paar ist dabei so eng an das Laserlicht gekoppelt, dass es periodisch zwischen dem gebundenen und dem ungebundenen Zustand oszilliert und alle Zwischenzustände einnimmt, so lange das Licht eingeschaltet ist. Je nach Länge des Laserpulses kann somit ein gebundenes Paar erzeugt werden oder ein ungebundenes Paar oder ein Paar, das sich gleichzeitig im gebundenen und im ungebundenen Zustand – einem Überlagerungszustand – befindet.
Ist das Paar in einem solchen Überlagerungszustand, reagiert es besonders empfindlich auf äußere Effekte, die den ungebundenen und den gebundenen Zustand unterschiedlich beeinflussen. Mit Hilfe von zwei getrennten Laserpulsen konnten die Forscher ein Interferometer für Bindungszustände demonstrieren und zur Haltbarkeitsmessung der Überlagerungszustände einsetzen.
(Universität Stuttgart, 26.11.2010 – NPO)
