Treues Quantentrio: Physiker bestätigen universelles Phänomen

13. Mai 2014, 16:14
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Nach dem erstmaligen Nachweis des Efimov-Zustands im Jahr 2006 haben Innsbrucker Forscher im vorhergesagten Abstand den zweiten derartigen Zustand entdeckt

Innsbruck/Wien - Mit den sogenannten "Efimov-Zuständen" haben Innsbrucker Quantenphysiker um Rudolf Grimm 2006 ein bis dahin nur theoretisch bekanntes Phänomen erstmals im Experiment nachgewiesen. Nun haben die Forscher in einem ultrakalten Quantengas auch einen zweiten solchen Bindungszustand von drei Teilchen gemessen und damit den experimentellen Nachweis für die Periodizität dieses universellen physikalischen Phänomens erbracht.

Der russische Physiker Vitali Efimov hat 1970 vorhergesagt, dass ein aus drei Bosonen bestehendes quantenmechanisches System unendlich viele gebundene Zustände bilden kann, auch wenn jeweils zwei davon zusammen dies nicht können. Diese sogenannte Dreiteilchenbildung nach Efimov konnte ein Team um den Experimentalphysiker Rudolf Grimm bei Experimenten mit ultrakalten Cäsium-Atomen 2006 erstmals nachweisen.

Efimov sagte auch vorher, dass diese Zustände nur in bestimmten Abständen voneinander möglich sind, die Distanz zwischen den Teilchen muss jeweils um den Faktor 22,7 vergrößert oder verkleinert werden. Bisher ist es aber nicht gelungen, die regelmäßige Wiederkehr dieses Phänomens und die Richtigkeit des von Efimov berechneten Faktors messtechnisch zu überprüfen.

Nachweis geglückt

Rudolf Grimm vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) ist der Nachweis nun in ultrakalten Quantengasen gelungen. Diese eignen sich gut für solche Experimente, weil sich die Wechselwirkung zwischen den Atomen über ein Magnetfeld sehr gut kontrollieren lässt.

Dennoch mussten die Physiker für den Nachweis an die Grenzen des Möglichen gehen. Denn der Abstand zwischen den Teilchen muss für die Beobachtung des zweiten Efimov-Zustands auf einen Mikrometer vergrößert werden. "Das entspricht dem 20.000-fachen des Radius eines Wasserstoffatoms", erklärte Grimm, "im Vergleich zu einem Molekül ist das ein riesiges Gebilde."

Phänomen mit universellem Charakter

Wie die Physiker im Fachjournal "Physical Review Letters" berichten, fanden sie den zweiten Efimov-Zustand tatsächlich im 21-fachen Abstand zum ersten Efimov-Zustand, bei einer Fehlertoleranz von 1,3. Die Abweichung führen die Wissenschafter auf die "Physik jenseits des idealisierten Efimov-Zustands zurück. Das ist wiederum ein spannendes Thema", erklärt Rudolf Grimm.

Das Interesse der Wissenschaft an diesem physikalischen Phänomen ist deshalb groß, weil es universellen Charakter hat. So gilt das Gesetz in der Kernphysik, wo die sogenannte starke Wechselwirkung für die Bindung der Teilchen in den Atomkernen verantwortlich ist, ebenso wie bei molekularen Verbindungen, die auf elektromagnetischen Kräften beruhen. "Die Wechselwirkungen zwischen zwei Teilchen und jene zwischen sehr vielen Teilchen sind sehr gut untersucht. Das Zusammenwirken weniger Teilchen zeigt aber neue Phänomene, die wir erst noch verstehen lernen müssen", sagte Grimm. (APA/red, derStandard.at, 13.05.2014)

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