Forschung

Bindungswilliges Edelgas

30.12.2020 - Auseinanderbrechendes Heliumdimer erzeugt Interferenzwellen.

Wer sich in die Welt der Quantenphysik begibt, muss sich auf Einiges gefasst machen: Edelgase gehen Bindungen ein, Atome verhalten sich gleichzeitig wie Teilchen und wie Wellen, und Ereignisse, die eigentlich einander ausschließen, lassen sich gleichzeitig beobachten. Ein internationales Wissenschaftler­team der Goethe-Universität Frankfurt und der University of Oklahoma hat nun erstmals Quanteneffekte an einem auseinander­brechenden Heliumdimer gefilmt. Der Film zeigt die Überlagerung von Wellen zweier Ereignisse, die mit unterschiedlicher Wahrscheinlich­keit gleichzeitig auftreten: Der Fortbestand und das Auseinanderbrechen des Helium­dimers. Die Methode könnte künftig erlauben, das Entstehen und den Zerfall quanten­physikalischer Efimov-Systeme experimentell zu verfolgen.

 

Reinhard Dörner und sein Team beschäftigen sich in der Quantenwelt mit Molekülen, die es klassischerweise gar nicht geben dürfte: Zweier­verbindungen von Helium, also Helium­dimere. Als Edelgas geht Helium eigentlich keine Verbindungen ein. Wenn man das Gas jedoch auf nur zehn Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlt und dann durch eine kleine Düse in eine Vakuum­kammer strömen lässt, wodurch es noch kälter wird, dann bilden sich – ganz selten – solche Heliumdimere. Es sind sicher die am schwächsten gebundenen Moleküle im Universum, und entsprechend weit sind die beiden Atome im Molekül voneinander entfernt. Während eine chemische Bindung gewöhnlicherweise rund ein Ångström misst, sind es beim Helium­dimer im Mittel mehr als fünfzig Mal so viel, 52 Ångström.

Solche Heliumdimere haben die Frankfurter Wissenschaftler mit einem extrem starken Laserblitz bestrahlt und dadurch die Bindung zwischen den beiden Helium­atomen minimal verdreht – was ausreichte, um die beiden Atome auseinanderfliegen zu lassen. Daraufhin konnten die Wissenschaftler das wegfliegende Helium­atom erstmals als Welle sehen und in einem Film aufzeichnen.

Dass die Forscher das wegfliegende Heliumatom im Frankfurter Laser-Experiment als eine Welle überhaupt beobachten und filmen konnten, lag daran, dass das Heliumatom nur mit einer gewissen Wahr­scheinlichkeit wegflog: Mit 98-prozentiger Wahr­scheinlichkeit war es noch an seinen zweiten Heliumpartner gebunden, mit zweiprozentiger Wahr­scheinlichkeit flog es weg. Diese beiden Heliumatom-Wellen überlagerten sich, diese Interferenz ließ sich messen.

Die Vermessung solcher „Quantenwellen“ lässt sich ausdehnen auf Quanten­systeme mit mehreren Partnern wie das Helium­trimer aus drei Helium-Atomen. Das Heliumtrimer ist interessant, da es einen exotischen Efimov­zustand bilden kann, sagt Maksim Kunitski, Erstautor der Studie: „Solche Drei-Teilchen-Systeme wurden 1970 durch den russischen Theoretiker Vitaly Efimov vorhergesagt und zunächst an Cäsiumatomen nachgewiesen. Vor fünf Jahren haben wir erstmals den Efimov­zustand im Helium­trimer entdeckt. Unsere jetzt entwickelte Methode der Laserpuls-Bestrahlung könnte es uns in Zukunft erlauben, die Entstehung und den Zerfall von Efimov-Systemen zu beobachten und so quanten­physikalische Systeme besser verstehen zu können, die experimentell nur schwer zugänglich sind.“

U. Frankfurt / DE

 

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