Ein Atom im Spiegel
Forscher bauen Anordnung, mit dem einzelne Teilchen reflektiert werden können
Wissenschaftler der ETH Zürich haben einen elektromagnetischen Spiegel für Atomstrahlen entwickelt. Darin werden die Atome durch einen starken elektrischen Feldgradienten zunächst abgebremst und kehren danach ihre Richtung um. Die Forscher glauben, dass derartige Atomspiegel Experimente in der Quantenphysik sowie die Herstellung von Antimaterie erleichtern werden.
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Studienleiter Edward Vliegen vergleicht ein einzelnes Atom seines Experiments mit einer auf einer Ebene rollenden Kugel, die plötzlich einen steilen Berg vorfindet. Aufgrund der endlichen Bewegungsenergie kann die Kugel den Berg nur eine endliche Strecke hinaufrollen, bevor sie ihre Bewegungsrichtung umkehrt und somit reflektiert wird. Was der Berg für die Kugel ist, ist für die Atome ein stark anwachsendes elektrisches Feld.
Damit die Reflexion funktioniert, müssen die Atome des Strahls zunächst mit einem starken elektrischen Dipolmoment ausgestattet werden. Dies geling durch Anregung mit einem Laserstrahl: Dabei wird ein Elektron jedes einzelnen Atoms in einen so genannten Rydberg-Zustand versetzt, der klassisch gesehen einer Umlaufbahn mit einem sehr großen Radius gleicht. Elektron und positiv geladener Atomkern sind somit weit voneinander entfernt, so dass ein effektives elektrisches Dipolmoment aufgebaut wird.
Der Clou hinter diesem Vorgang besteht darin, dass die Dipolmomente der Atome antiparallel zu dem elektrischen Bremsfeld ausgerichtet werden. Dies verstärkt die abbremsende Wirkung des Feldes. Für ihr Experiment verwendeten die Forscher einen Strahl kalter Wasserstoffatome, in dem sich einzelne Atome mit einer Geschwindigkeit von etwa 720 Metern pro Sekunde bewegten. Das Bremsfeld selbst war etwa 2.000 Volt pro Zentimeter stark.
Vliegen glaubt, dass derartige Bremsfelder bei der Herstellung von Antimaterie behilflich sein könnten. Deren geschickte Anordnung würde die Antimaterie an einer Kollision mit den Wänden ihres Containers hindern und somit ihre Zerstrahlung vermeiden.
Physical Review Letters, Bd. 97, Artikel 033002
Stefan Maier
