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Ionen, so groß wie Bakterien

Ultrakalte Atomwolken umhüllen geladene Teilchen

Von Rainer Scharf

In ultrakalten Bose-Einstein-Kondensaten - makroskopischen Quantenzuständen, wie sie erstmals 1995 im Labor erzeugt wurden - können sich Hunderte von Atomen zu Ionen zusammenballen, die die Größe eines Bakteriums haben. Das zeigen Berechnungen von Forschern der University of Connecticut in Storrs. Danach lassen sich die riesigen "molekularen" Ionen mit Hilfe elektrischer Felder im Kondensat umherbewegen und möglicherweise sogar aus ihm herausziehen.

Elektrische Ladungen üben auf ungeladene Materie eine polarisierende Wirkung aus und ziehen sie deshalb an. Ein bekanntes Beispiel dafür ist der durch Reiben elektrisch aufgeladene Plastiklöffel, an dem Papierschnipsel haftenbleiben. In ähnlicher Weise umgibt sich ein einzelnes elektrisch geladenes Atom in einer Flüssigkeit mit einer Wolke von Atomen, die es mit sich herumschleppt. Auch in einem Bose-Einstein-Kondensat formieren sich solche Atomwolken um einzelne Ladungen. Darüber hinaus schließen sich die Atome fest an die Ladung an und bilden ein großes kugelförmiges Ion, wie Robin Côté und seine Kollegen in der Zeitschrift "Physical Review Letters" (Bd. 89, Nr. 093001) berichten.

Bose-Einstein-Kondensate sind mittlerweile von zahlreichen Forschergruppen im Labor erzeugt und intensiv studiert worden. Zur Herstellung eines solchen exotischen Materiezustandes muß man ein verdünntes Gas aus Atomen auf weniger als ein millionstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt kühlen. Die Materiewellen der Atome "verschmelzen" dann zu einer einzigen quantenmechanischen Welle. Bringt man in das Quantengas ein geladenes Atom hinein oder ionisiert eines der Atome im Kondensat durch einen Laserlichtpuls, polarisiert das geladene Atom die umliegenden Atome und zieht sie an sich. Da die Bewegungen der Atome im Kondensat aufeinander abgestimmt sind, bildet sich schnell ein Klumpen aus vielen Atomen. In einem Bose-Einstein-Kondensat aus Natriumatomen beispielsweise entstehen auf diese Weise Ionen mit bis zu 600 Atomen und einem Durchmesser von etwa einem tausendstel Millimeter, wie Côté und seine Kollegen berechnet haben.

Die riesigen Ionen verlieren fortwährend Atome. Doch stets kommen neue hinzu, so daß sich ihre Größe nicht ändert. Die Energie der auf das Ion prallenden Atome wird in Form von Schallwellen an das Kondensat abgegeben. Nach Ansicht der Wissenschaftler ließen sich mit Hilfe der riesigen Ionen die Eigenschaften von Bose-Einstein-Kondensaten auf neuartige Weise untersuchen und sogar verändern. So könnte man die Ionen zum Beispiel mit elektrischen und magnetischen Feldern durch das Kondensat bewegen und es dadurch in Bewegung setzen oder in einen anderen Quantenzustand bringen. Schließlich könnte man die Ionen sogar aus dem Kondensat herausziehen und es zum Transport von Atomen benutzen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 04.09.2002, Nr. 205 / Seite N1

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