Das Dreikörperproblem der Quanten

24. März 2006, 17:44
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Innsbrucker Experimentalphysiker bestätigen 35 Jahre alte Theorie von Vitali Efimov

Innsbruck/London - Innsbrucker Quantenphysikern ist es erstmals gelungen, so genannte Efimov-Zustände zu beobachten, berichtet Nature. Diese mysteriösen Quantenzustände wurden vor 35 Jahren vom Russen Vitali Efimov theoretisch vorhergesagt.

Das Zusammenspiel dreier Objekte mathematisch zu beschreiben ist physikalisch nicht leicht. Schon die Berechnung der Umlaufbahnen von drei sich gegenseitig anziehenden Planeten zählt zu den größeren Problemen.

Physiker sprechen vom "Dreikörperproblem". Vitali Efimov überraschte Anfang der 1970er-Jahre, als er Dreikörpersysteme in der Quantenwelt beschrieb, deren theoretische Lösung sehr einfach war. Er prophezeite, dass sich drei Teilchen unter Ausnutzung der quantenmechanischen Eigenschaften zu einem Objekt vereinen, obwohl sie paarweise zu keiner Verbindung imstande sind. Wenn man die Entfernung zwischen den Teilchen jeweils um den Faktor 22,7 vergrößert, ergeben sich unendlich viele solcher Efimov-Zustände.

Seine Theorie wurde zunächst angezweifelt, dann jedoch versuchten sich weltweit Forschungsgruppen am Nachweis dieser mysteriösen Quantenzustände. Das Interesse daran ist groß, weil sie universellen Charakter haben: Das Gesetz gilt in der Kernphysik, in der starke Wechselwirkung für die Bindung der Teilchen in den Atomkernen verantwortlich ist, und auch bei molekularen Verbindungen, die auf elektromagnetischen Kräften beruhen.

Am Institut für Experimentalphysik der Uni Innsbruck ist es Rudolf Grimm und Hanns-Christoph Nägerl nun erstmals gelungen, diese Efimov-Zustände experimentell nachzuweisen: in einem ultrakalten Gas aus freien Cäsiumatomen, das bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ein Bose-Einstein-Kondensat bildet.

Dieser Materiezustand hat quantenmechanische Eigenschaften, und die Kräfte zwischen den einzelnen Teilchen können sehr genau kontrolliert werden. Mit so genannten Feshbach-Resonanzen stellten die Physiker die Abstände zwischen den Teilchen exakt ein und schufen so die Bedingungen für die Dreiteilchenbindung. Die Efimov-Objekte wurden jedoch nicht direkt beobachtet. "Wir können diese drei schwach aneinander gebundenen Teilchen nicht einfangen", erklärte Grimm: "Wir sehen sie aber indirekt als sehr drastischen Verlust von Teilchen im ultrakalten Gas, wenn wir ganz bestimmte Magnetfelder anlegen. Ihr charakteristisches Verhalten zeigt sich dann in Efimov-Resonanzen. Eine solche haben wir jetzt beobachtet." (DER STANDARD, Print-Ausgabe, 16. 3. 2006)

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