Ein Molekül aus Licht und Materie

Mit Licht kann man Atome gezielt dazu bringen, einander gegenseitig anzuziehen

04.08.2022 - Österreich

Ein ganz besonderer Bindungszustand zwischen Atomen konnte nun erstmals im Labor erzeugt werden: Mit einem Laserstrahl lassen sich Atome polarisieren, sodass sie auf einer Seite positiv, auf der anderen Seite negativ geladen sind. Dadurch ziehen sie einander an und bilden einen ganz speziellen Bindungszustand – viel schwächer als die Bindung zwischen zwei Atomen in einem gewöhnlichen Molekül, aber dennoch messbar. Die Anziehungskraft geht von den polarisierten Atomen selbst aus, aber erst der Laserstrahl verleiht ihnen die Möglichkeit dazu – in gewissem Sinn handelt es sich um ein „Molekül“ aus Licht und Materie.

Theoretisch vorhergesagt wurde dieser Effekt schon lange, nun gelang es Wissenschaftler_innen des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) der TU Wien in Zusammenarbeit mit der Universität Innsbruck, diese exotische Atombindung erstmals zu messen. Nützlich ist diese Wechselwirkung für die Manipulation extrem kalter Atome, auch für die Bildung von Molekülen im Weltraum könnte der Effekt eine Rolle spielen. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Physical Review X“ publiziert.

Positive und negative Ladung

In einem elektrisch neutralen Atom wird ein positiv geladener Atomkern von negativ geladenen Elektronen umgeben, die sich wolkenartig in der Nähe des Atomkerns befinden. „Wenn man nun ein äußeres elektrisches Feld einschaltet, dann verschiebt sich diese Ladungsverteilung ein bisschen“, erklärt Prof. Philipp Haslinger, dessen Forschung am Atominstitut der TU Wien durch das FWF START-Programm unterstützt wird. „Die positive Ladung wird geringfügig in die eine Richtung, die negative Ladung geringfügig in die andere Richtung verschoben, das Atom hat plötzlich eine positive und eine negative Seite, es ist polarisiert.“

Licht ist nichts anderes als ein elektromagnetisches Feld, das sich sehr rasch ändert, deshalb kann man auch mit Laserlicht diesen Polarisations-Effekt hervorrufen. Wenn sich mehrere Atome nebeneinander befinden, polarisiert sie das Laserlicht alle genau auf dieselbe Weise – links positiv und rechts negativ, oder umgekehrt. In beiden Fällen wenden zwei benachbarte Atome einander unterschiedliche Ladungen zu, eine Anziehungskraft entsteht.

Experimente mit der Atomfalle

„Es handelt sich hier um eine sehr schwache Anziehungskraft, daher muss man sehr sorgfältig experimentieren, um sie messen zu können“, sagt Mira Maiwöger von der TU Wien, die Erstautorin der aktuellen Publikation. „Wenn die Atome viel Energie haben und sich schnell bewegen, ist es mit der Anziehungskraft sofort wieder vorbei. Man verwendete deshalb eine Wolke aus ultrakalten Atomen.“

Die Atome werden zuerst in einer magnetischen Falle mithilfe eines Atomchips, gefangen und gekühlt, eine Technik, die in Wien am Atominstitut in der Gruppe von Prof. Jörg Schmiedmayer entwickelt wurde. Dann schaltet man die Falle aus und lässt die Atome nach unten fallen. Die Atomwolke ist mit weniger als einem millionstel Kelvin zwar 'ultrakalt', hat aber genug Energie um sich während des Fallens noch auszudehnen. Wenn man allerdings in dieser Phase mit einem Laserstrahl die Atome polarisiert und dadurch eine Anziehungskraft zwischen ihnen erzeugt, dann wird diese Ausdehnung der Atomwolke gebremst – und so kann man die Anziehungskraft messen.

Quantenlabor und Weltraum

„Einzelne Atome mit Laserstrahlen zu polarisieren ist grundsätzlich nichts Neues“, sagt Matthias Sonnleitner, der die theoretische Grundlage für das Experiment gelegt hat. „Das Entscheidende an unserem Experiment ist allerdings, dass es uns erstmals gelungen ist, mehrere Atome auf kontrollierte Weise gemeinsam so zu polarisieren, dass dadurch eine messbare Anziehungskraft zwischen ihnen entsteht.“

Diese Anziehungskraft ist ein nützliches Werkzeug um ultrakalte Atome noch besser zu kontrollieren als bisher. Aber auch für die Astrophysik könnte sie wichtig sein: „In den Weiten des Weltraums können kleine Kräfte eine große Rolle spielen“, sagt Philipp Haslinger. „Hier konnten wir zum ersten Mal zeigen, dass elektromagnetische Strahlung eine Kraft zwischen Atomen erzeugen kann, das kann vielleicht helfen, neues Licht auf bisher noch nicht erklärbare astrophysikalische Szenarien zu werfen.”