Wiener Forscher übertragen Effekt aus astronomischem Maßstab in die Quantenwelt
Wien - Vor fast hundert Jahren ließ der dänische Physiker Niels Bohr in seinem Atommodell die Elektronen auf Bahnen um die
Atomkerne kreisen, ähnlich wie Planeten um die Sonne. Diese Darstellung veranschaulicht zwar, was auf der Ebene der Materiebausteine vor sich gehen könnte, ist aber falsch und seit langem überholt. Schon 1925 - also 12 Jahre später - postulieren neuere Modelle für die Elektronen Aufenthaltswahrscheinlichkeiten statt feste Bahnen. Physikern der Technischen Universität (TU) Wien gelang es
nun gemeinsam mit amerikanischen Kollegen erstmals doch, Elektronen lange Zeit stabil auf planetenartigen Bahnen
kreisen zu lassen. Dafür orientierten sie sich an einem Effekt, der aus der
Astronomie bekannt ist. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher kürzlich
im Fachjournal "Physical Review Letters".
Die Wissenschafter vom Institut für Theoretische Physik der TU ließen sich
bei ihren Überlegungen vom größten Planeten unseres Sonnensystems, dem Jupiter,
inspirieren. Der hält mit seinem Gravitationsfeld tausende Asteroiden, genannt
"Trojaner", in einer stabilen Bahn um die Sonne. Diese Himmelskörper folgen
Jupiter auf seiner Umlaufbahn bzw. eilen ihm voraus.
Von der Quanten-Welle zur Umlaufbahn
Bei dem Experiment der TU-Forscher stand dieser Effekt Pate, der Maßstab
verkleinerte sich aber drastisch, nämlich in die Welt der Quantenphysik. Dort
laufen viele Dinge allerdings etwas anders als in der Astronomie ab, denn die
tatsächlichen Bewegungen der Elektronen sind
höchst komplex. Ein Elektron im niedrigsten
energetischen Zustand befindet sich nämlich gleichzeitig in allen möglichen
Richtungen um den Kern, es wird daher als Quanten-Welle oder
"Wahrscheinlichkeitswolke" beschrieben. Erst durch das Anheben des
Energieniveaus des Elektrons kann es in einer Art
Umlaufbahn gehalten werden.
Doch das sprunghafte Teilchen folgt auch hier nicht lange den Wünschen der
Wissenschafter. "Ohne zusätzliche Stabilisierung würde sich die Elektronen-Welle schon nach wenigen Umläufen wieder
gleichmäßig entlang der Bahn verteilen und hätte keine feste Position mehr", so
der Vorstand des Instituts für Theoretische Physik, Joachim Burgdörfer. Die Forscher nahmen sich deshalb die stabilisierende Wirkung des
Jupiter zum Vorbild und simulierten sie quantenmechanisch.
Riesenhafte Atome
Dafür stellten sie die Frequenz eines elektromagnetischen Feldes genau auf
die Umlaufdauer des Elektrons um den Kern ein. Auf
diese Weise konnten sie die Quanten-Welle des Teilchens mehrere Umdrehungen lang
in einem engen Bereich halten. Dabei erzeugten die Wissenschafter die wohl
größten Atome der Erde, da sich durch die Manipulationen der Durchmesser der
Elektronenbahnen auf einen Hundertstel Millimeter erweiterte, die Atome sind
damit größer als rote Blutkörperchen. Das sei für atomare Verhältnisse eine
"gewaltige Distanz", so der TU-Forscher Shuhei Yoshida.
Es sei damit gelungen, einen Effekt, der im astronomischen Maßstab
funktioniert in die Welt der Quantenphysik zu übertragen und Atome so zu
präparieren, dass sie sich tatsächlich ähnlich wie im Bohrschen Atommodell
verhalten. Die Physiker erhoffen sich von zukünftigen Experimenten Erkenntnisse
darüber, wie die Gesetzmäßigkeiten der Quantenwelt mit den klassischen
physikalischen Gesetzen zusammenhängen. (APA, red)
