Physiker machen Mini-Anziehung zwischen ultrakalten Atomen messbar

2. August 2022 - 10:23

Liegen zwei Atome direkt nebeneinander, deren elektrische Ladungen sich voneinander unterscheiden, kann das dazu führen, dass sie ein kleines Stück zusammenrücken. Diesen extrem schwachen Effekt konnten Physiker aus Wien und Innsbruck nun in einem neuen Versuchsaufbau erstmals messen. Dabei entlassen sie ultrakalte Atome aus einer Falle, beschießen sie mit einem Laser und beobachten die Zerstreuung, wie die Forscher im Fachblatt "Physical Review X" berichten.

Die Atome werden durch das Licht polarisiert und ziehen einander an
Die Atome werden durch das Licht polarisiert und ziehen einander an

Diese Art "Bindungszustand aus Licht und Materie", wie es die Technische Universität (TU) Wien in einer Aussendung ausdrückte, fußt darauf, dass einander Atome anziehen, die an den einander zugewandten Seiten unterschiedliche elektrische Ladungen haben. Solche Anziehungskraft zwischen sogenannten polarisierten Atomen ist jedoch um ein Vielfaches schwächer als sie sonst in Molekülen ist. Theoretisch vorhergesagt wurde sie zwar bereits, im Experiment nachgewiesen wurde sie bis zu der Untersuchung der Forscher vom Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) der TU Wien und von der Universität Innsbruck noch nicht.

Elektrisches Feld polarisiert Atom

In der Regel hat man es mit elektrisch neutralen Atomen zu tun. "Wenn man nun ein äußeres elektrisches Feld einschaltet, dann verschiebt sich diese Ladungsverteilung ein bisschen", so einer der Hauptautoren der Studie, Philipp Haslinger vom Wiener Atominstitut: "Die positive Ladung wird geringfügig in die eine Richtung, die negative Ladung geringfügig in die andere Richtung verschoben, das Atom hat plötzlich eine positive und eine negative Seite, es ist polarisiert."

Diese Polarisation erreicht man auch mit Licht. Das hat den Vorteil, dass die Änderung sehr rasch eintritt. Das braucht es auch, um den Mini-Anziehungseffekt tatsächlich messen zu können. In ihrem Versuch mussten die Wissenschafter einer kleinen Atomwolke möglichst viel Energie entziehen, um überhaupt eine Chance zu haben, dem flüchtigen Effekt habhaft zu werden.

Dazu schlossen sie Atome in einer Magnetfalle - dem von Wiener Forschern entwickelten Atomchip - ein und kühlten das Atom-Ensemble auf eine Temperatur nur knapp über dem absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius. Das reicht der präparierten Atomwolke, um ihre minimale Restenergie dafür zu nutzen, sich beim anschließenden Ausschalten der Falle nur ein klein wenig auszudehnen. Während sie allerdings nach unten fällt und sich die Einzelelemente voneinander entfernen, knipsten die Physiker quasi das Licht an. Mit einem Laserstrahl wurden die Atome polarisiert.

Erstmals messbare Anziehungskraft

Das führte dazu, dass die winzige Anziehungskraft zwischen ihnen wirksam, und die Ausdehnung der Wolke ein Stück weit gebremst wurde. Auf diese Weise konnte der Effekt gemessen werden. Entscheidend an dem Experiment sei, "dass es uns erstmals gelungen ist, mehrere Atome auf kontrollierte Weise gemeinsam so zu polarisieren, dass dadurch eine messbare Anziehungskraft zwischen ihnen entsteht", so Ko-Autor Matthias Sonnleitner. Mit dem neuen Wissen hoffen die Forscher, ultrakalte Atome noch besser kontrollieren zu können und insgesamt auch mehr über diese Art der Anziehungskraft zu erfahren, die auch im All zum Tragen kommen könnte. "In den Weiten des Weltraums können kleine Kräfte eine große Rolle spielen", so der Letztautor der Studie, Philipp Haslinger.

Publikation: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.031018

(APA/red, Foto: APA/TU Wien)

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