Physiker zwingen Elektronen in feste Bahnen und erzeugen gigantische Atome

26. Jänner 2012, 19:41
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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)


Abstract
Physical Review Letters: Creating and Transporting Trojan Wave Packets

  • Das Bohrsche Atommodell geht von Elektronen aus, die ähnlich wie ein Planet um den Atomkern kreisen. Durch technische Tricks wird das Elektron (grün) über lange Zeit zusammengehalten, ohne sich über die ganze Kreisbahn zu verteilen.
    foto: tu wien

    Das Bohrsche Atommodell geht von Elektronen aus, die ähnlich wie ein Planet um den Atomkern kreisen. Durch technische Tricks wird das Elektron (grün) über lange Zeit zusammengehalten, ohne sich über die ganze Kreisbahn zu verteilen.

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