Preisträger

Neue Beziehungskisten für Riesenatome

Eine ultrakalte Liaison stemmt sich gegen die Lehrmeinung.

  • Tilman Pfau
  • 09 / 2015 Seite: 47

Lehrbücher der physikalischen Chemie teilen die möglichen Bindungstypen zwischen atomaren Partnern in drei Typen ein: ionische, kovalente und Van-der-Waals-Bindung. Dieser Liste ist ein neuer Bindungstyp hinzuzufügen, bei dem das Elektron eines Rydberg-Atoms die Bindung eines Neutralatoms vermittelt. Das entstehende Riesenmolekül weist ungewöhnliche Eigenschaften auf und ähnelt einem eingefrorenen klassischen Objekt mit permanentem Dipolmoment.

In Atomen vollführen Elektronen einen Quantentanz um den Kern und entfernen sich dabei von diesem um etwa 0,1 Nanometer. Wird ein Elektron dabei zum Beispiel von einem Photon oder einem anderen Teilchen „gekickt“, geht es in einen angeregten Zustand über und verbringt bis zu seinem Zerfall eine kurze Zeit in einem etwas größeren Abstand. Bekommt es zu viel Energie, kann es das Coulomb-Potential des Kerns verlassen, und das Atom wird ionisiert. Eine knapp unterhalb der Ionisationsschwelle dosierte Energie kann das Elektron auf eine sehr weite Umlaufbahn um den Kern schicken. Die diskreten Quantenzustände dort sind die so genannten Rydberg-Zustände. Die dazu­gehörenden Elektronenorbitale sind im Wasserstoff durch die Hauptquantenzahl n, den Drehimpuls l und die Orientierung m charakterisiert.

Die Rydberg-Orbitale wachsen mit n2 und können bei n = 100 einen Radius von einem Mikrometer erreichen. Da diese Elektronen nur noch sehr schwach gebunden sind, ergeben sich weitere extreme Eigenschaften. Ein Orbital, welches ohne äußeres elektrisches Feld seinen Ladungsschwerpunkt am Kernort hat, kann durch ein solches Feld sehr leicht polarisiert werden. Die Pola­risierbarkeit steigt mit n7 an. Die maximale Ladungstrennung zwischen Elektron und Kern kann ungefähr die Größe des Orbitals erreichen. Damit skalieren die Dipolmomente also auch mit n2. Diese ­Eigenschaft macht Rydberg-Atome zu hochsensiblen Antennen. In der Quantenoptik, wo man die Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen einzelnen Photonen und Atomen studiert, wurden sie deshalb für Pionierarbeiten zur Beobachtung von Lichtzuständen eingesetzt, für die es 2012 den Nobelpreis gab [1]. Extrem stark ist auch die Van-der-Waals-Wechselwirkung zwischen zwei Rydberg-Atomen: Sie skaliert mit n11! Wie weit lässt sich die Hauptquantenzahl hochschrauben? ... 

Share |
thumbnail image: Neue Beziehungskisten für Riesenatome

Aktuelles Heft

Inhaltsverzeichnis
11 / 2017

thumbnail image: PJ 11 2017

Interview mit Alexander Gerst

Atomare Cluster im Fokus

Elektrische Dipolmomente gesucht

Zugang Physik Journal

Nur DPG-Mitglieder haben vollen Zugriff auf alle Hefte und Online-Inhalte des Physik Journal und müssen sich dafür mit ihrer Mitgliedsnummer registrieren » 

Erst wenn die Artikel des Physik Journal älter als drei Jahre sind, stehen sie kostenlos und frei zugänglich zur Verfügung

Als DPG-Mitglied erhalten Sie den Physik Journal Newsletter, wenn Sie sich dafür bei der DPG registrieren »

Mediadaten

Die Mediadaten für Werbe­mög­lich­kei­ten im Phy­sik Jour­nal finden Sie als PDFs hier:
2017 deutsch / eng­lisch
2018 deutsch / englisch

Webinar

Warum reale akustische Systeme nur multiphysikalisch simuliert werden können

  • 02. November 2017

In diesem Webi­nar wird ge­zeigt, warum man bei­spiels­weise schon bei der Simu­la­tion eines „ein­fachen“ Laut­spre­chers auf multi­phy­si­ka­li­sche Kopp­lung an­ge­wie­sen sein kann, wenn man ex­pe­ri­men­tel­le Er­geb­nis­se kor­rekt re­pro­du­zie­ren will.

Alle Webinare »

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer