Forscher: Quantenmechanischer Effekt könnte zur Entstehung "halber" Atome führen

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Eine lineare Kette ultrakalter Atome mit halbzahligem Spin könnte durch ein oszillierendes elektromagnetisches Feld zur Erzeugung von „Atombruchteilen“ angeregt werden. Dies sagt eine Theoriearbeit englischer Physiker voraus, die in der Fachzeitschrift Physical Review Letters (Band 88 Referenznummer 180401) veröffentlicht wurde. Ihr zufolge verteile sich ein Teil der Wellenfunktion eines Kettenatoms über die gesamte Kette, so dass nur ein Bruchteil des Atoms an seinem Ort zurückbleibt. Die Ursache dieses seltsamen Quanteneffekts ist allerdings noch unklar.

Der Experimentiervorschlag der Gruppe um Janne Ruostekoski von der Universität von Hertfordshire in Großbritannien beruht auf den quantenmechanischen Eigenschaften von Atomen mit halbzahligem Spin ? sogenannten Fermionen. Werden diese auf extrem kalte Temperaturen abgekühlt, bildet sich anders als bei Bosonen kein Bose-Einstein Kondensat, sondern ein sogenanntes Fermi-Dirac Gas. Mittels stehenden Laserwellen können die Atome des Fermi-Dirac Gases in einer linearen Kette mit abwechselndem Spin angeordnet werden: Jedes Atom mit Spin +1/2 ist Atomen mit Spin ?1/2 benachbart.

Zur Erzeugung von Atombruchteilen wollen die Wissenschaftler diese Kette einem speziell präparierten oszillierenden elektromagnetischem Feld aussetzen. Dieses Feld muss unterschiedliche Polarisationen zu beiden Seiten der Kettenmitte aufweisen, so dass die linke Hälfte des Feldes immer positiv ist, wenn die rechte negativ ist ? und umgekehrt. Auf diese Weise ist das Feld in der Mitte der Atomkette immer gleich null ? man bezeichnet diesen Ort als einen sogenannten Knoten.

Den Berechnungen der Wissenschaftler zufolge ist das am Ort dieses Knotens befindliche Atom nur zu einem Bruchteil vorhanden: Ein Teil seiner Wellenfunktion dehnt sich über die ganze Kette aus, der andere Teil bleibt am Ort des Knotens räumlich fixiert zurück. Obwohl die Ursache dieses Quanteneffekts noch unklar ist, hoffen die Forscher, den Effekt schon bald in Experimenten mittels Lichtstreuung nachweisen zu können.

Bruchteile von Elektronen (sogenannte fractional electrons) wurden schon seit längerem in Experimenten nachgewiesen, so etwa in dem fraktionellen Quanten-Hall-Effekt: An der Grenze zwischen zwei Halbleiteroberflächen gefangene Elektronen tragen elektrische Ladungen, die nur einen Bruchteil der Elementarladung eines Elektrons ausmachen ? man spricht von sogenannten Quasi-Teilchen. Die Wissenschaftler aus Hertfordshire sind überzeugt, dass ihr Experiment zur Entstehung analoger Quasi-Atome führen wird.

Stefan Maier

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