Neuer „exotischer Aggregatzustand“ weit unter dem Gefrierpunkt entdeckt

Atome sind allgemein bekannt als Bausteine des Universums und essenziell wichtig für die Eigenschaften von Materie. Schon in der Grundschule lernen viele von uns, dass Atome aus positiv geladenen Protonen, neutralen Neutronen und negativ geladenen Elektronen bestehen. Relativ gesehen gibt es jedoch eine ganze Menge Leerraum zwischen diesen einzelnen subatomaren Partikeln.

Elektronen bewegen sich in der Regel auf einer von ihrem Atomkernzentrum weit entfernten Umlaufbahn. Da diese Bausteine mit so viel Leerraum gefüllt werden können, wollte ein Forscherteam der Technischen Universität Wien und der Harvard Universität herausfinden, ob es möglich ist, diese Leerräume mit etwas anderen, wie zum Beispiel anderen Atomen zu füllen.

Das Rydberg-Atom

In der Quantenphysik können Wissenschaftler Rydberg-Atome erschaffen, in denen ein oder mehr angeregte Elektronen mit großem Abstand um den Nukleus kreisen.

„Der durchschnittliche Abstand zwischen dem Elektron und seinem Kern kann bis zu mehreren hundert Nanometern betragen – das ist tausendmal mehr als der Radius eines Wasserstoffatoms“, sagt Joachim Burgdörfer, Dekan der Fakultät für Theoretische Physik an der Technischen Universität Wien, in einer Pressemitteilung.

Diese neue Studie wurde im Physical Review Letters veröffentlicht und setzt sich damit auseinander, wie die Forscher ein Bose-Einstein-Kondensat aus Strontium-Atomen herstellten. Sie kühlten dazu ein verdünntes Gas aus Bosonen, einer weiteren Art subatomarer Partikel, so weit wie möglich an den absoluten Nullpunkt heran ab. Dann transferierten sie mithilfe eines Lasers Energie in eins der Atome und wandelten es damit in ein Rydberg-Atom mit einem großen Atomradius um. Dieser Radius war größer als der normale Abstand zwischen zwei Atomen im Kondensat.

Wie sich herausstellte, nehmen neutrale Atome kaum Einfluss auf die weitere Bahn der Elektronen dieses Rydberg-Atoms, da sie nicht geladen sind. Aber das Elektron sammelt dennoch die verteilten, neutralen Atome entlang seiner Flugbahn auf und verhindert damit, dass es sich in einen anderen Aggregatszustand begibt.

Computersimulationen zeigen, dass diese Interaktion schwach ist. Sie verringert die Energie des Systems und schafft eine Bindung zwischen den Rydberg-Atomen und anderen Atomen innerhalb der Elektronenumlaufbahn.

„Das ist eine äußerst ungewöhnliche Situation“, gibt Shuhei Yoshida, ein Professor der TU Wien an, der ebenfalls an der Studie beteiligt war. „Normalerweise haben wir es mit aufgeladenen Atomkernen zu tun, die Elektronen an sich binden. Hier haben wir ein Elektron, das neutrale Atome bindet.“

Dieser neue, exotische Aggregatzustand wurde Rydberg-Polaron getauft und kann nur bei niedrigen Temperaturen entstehen. Die Partikel bewegen sich schneller und die Bindung löst sich auf, wenn es wärmer wird.

„Für uns ist dieser neue, schwache Aggregatszustand eine fantastische neue Möglichkeit, die Physik ultrakalter Atome zu erforschen“, fährt Burgdörfer fort. „Auf diesem Weg kann man die Eigenschaften eines Bose-Einstein-Kondensats auf sehr kleinen Skalen mit sehr großer Präzision untersuchen.“

Elaina Zachos auf Twitter folgen.