Physiker haben erstmals eine neue Methode verwendet, um die Wechselwirkung einzelner Atome im freien Raum zu beobachten. Die neue Methode bestätigt eine jahrhundertealte Theorie der Quantenmechanik. Wissenschaftler haben erstmals frei im Raum schwebende und wechselwirkende Atome beobachtet. Die Entdeckung trägt dazu bei, einige der grundlegendsten Prinzipien der Quantenmechanik zu bestätigen, die vor über einem Jahrhundert erstmals vorhergesagt, aber nie direkt getestet wurden.
Einzelne Atome sind aufgrund ihrer Quantennatur bekanntermaßen schwer zu beobachten. Forscher können beispielsweise aufgrund der Quantenmechanik nicht gleichzeitig die Position und Geschwindigkeit eines Atoms bestimmen. Mithilfe bestimmter Lasertechniken gelang es ihnen jedoch, Bilder von Atomwolken zu erzeugen.
Oben: Zwei Abbildungen zeigen, wie Atome in einer Atomfalle (rot) durch ein optisches Gitter plötzlich an ihrem Platz eingefroren werden. Unten: Drei Mikroskopaufnahmen zeigen (von links nach rechts) bosonisches 23Na, das ein Bose-Einstein-Kondensat bildet; einen Spinzustand in der schwach wechselwirkenden Fermi-Mischung von 6Li; und beide Spinzustände der stark wechselwirkenden Fermi-Mischung, die direkt die Paarbildung zeigen. Yao et al.
„Es ist, als ob man eine Wolke am Himmel sieht, aber nicht die einzelnen Wassermoleküle, aus denen sie besteht“, sagte Martin Zwierlein, Physiker am Massachusetts Institute of Technology und Co-Autor der neuen Studie, in einer Erklärung.
Die neue Methode geht noch einen Schritt weiter und ermöglicht es Wissenschaftlern, Bilder von frei im Raum schwebenden Atomen aufzunehmen. Zunächst fingen Zwierlein und seine Kollegen eine Wolke von Natriumatomen in einer frei schwebenden Falle bei ultrakalten Temperaturen ein. Anschließend strahlten sie ein Gitter aus Laserlicht durch die Wolke, um die Atome vorübergehend an Ort und Stelle einzufrieren. Anschließend beleuchtete ein zweiter, fluoreszierender Laser die Positionen einzelner Atome.
Die beobachteten Teilchen gehören zur Gruppe der Bosonen. Sie haben den gleichen quantenmechanischen Zustand und verhalten sich daher wellenartig, indem sie sich aneinander drängen. Dieses Konzept wurde erstmals 1924 vom französischen Physiker Louis de Broglie vorgeschlagen und später als „de-Broglie-Welle“ bekannt.
Illustration von frei in der Luft schwebenden Atomen. Stanislav Pytel
Tatsächlich zeigten die von Zwierlein und seinem Team beobachteten Bosonen das Verhalten von De-Broglie-Wellen. Die Forscher nahmen auch Bilder von Lithium-Fermionen auf, einem Teilchentyp, der ähnliche Teilchen abstößt, anstatt sich zu verklumpen.
Die Ergebnisse wurden am 5. Mai 2025 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Zwei weitere Gruppen berichteten in derselben Ausgabe der Zeitschrift über die Verwendung einer ähnlichen Technik zur Beobachtung von Bosonen- und Fermionenpaaren.
Siehe auch... Neue Methode zur Beobachtung einzelner Atome bestätigt jahrhundertealte quantenmechanische Theorie |
„Wir können einzelne Atome in diesen interessanten Atomwolken sehen und wie sie miteinander interagieren, und das ist wunderschön“, sagte Zwierlein.
Das Team plant, die neue Technik – die sogenannte „atomaufgelöste Mikroskopie“ – künftig auch zur Untersuchung anderer quantenmechanischer Phänomene einzusetzen. So könnten sie beispielsweise den Quanten-Hall-Effekt beobachten, bei dem sich Elektronen unter Einwirkung eines starken Magnetfelds synchronisieren.
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