Die rettenden Kollisionen

In der Nähe des absoluten Nullpunkts scheint die Physik bisweilen auf dem Kopf zu stehen. So können inelastische Stöße zerbrechliche Moleküle auf Abstand halten und sie so vor der Zerstörung bewahren.

Von Rainer Scharf

In der Welt der Atome und Moleküle erscheint manches vertraut, anderes hingegen paradox. So zerbrechen Moleküle normalerweise in ihre Bestandteile, wenn sie heftig miteinander kollidieren. Überraschenderweise können diese inelastischen Kollisionen aber auch dazu führen, dass die Moleküle sich aus dem Weg gehen und dadurch weitere Zusammenstöße vermeiden. Ein solches Verhalten haben jetzt Forscher vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei Experimenten mit extrem kalten Gasen aus fragilen Molekülen beobachtet.

Zur Herstellung der Moleküle kühlten Niels Syassen und seine Kollegen zunächst ein Gas aus Rubidiumatomen so stark ab, dass ein Bose-Einstein-Kondensat entstand. In diesem Materiezustand bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt sind die Quanteneigenschaften der ursprünglich individuellen Atome nicht mehr voneinander zu unterscheiden. Sie schwingen im Gleichtakt. Die aufeinander abgestimmten Teilchen wurden anschließend sechs sich kreuzenden Laserstrahlen ausgesetzt, die sich am Ort der Atomwolke überlagerten, wodurch ein dreidimensionales Lichtgitter aus hellen und dunklen Bereichen entstand. Die Form des Gitters ähnelte übereinandergestapelten Eierkartons.

Vom Licht angezogen, sammelten sich die Rubidiumatome in den hellen Zonen, also in den Mulden der optischen "Eierkartons". In der Regel saßen in jeder Vertiefung zwei Atome, die sich unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfelds locker zu einem Molekül verbanden. Einzelne überzählige Atome wurden mit einem Lichtpuls entfernt.

Nach diesen Vorbereitungen veränderten die Forscher die Gestalt des Lichtgitters so, dass ein Teil der Barrieren zwischen benachbarten Mulden verschwand und die optischen Eierkartons die Form eines Stapels von Wellblechen annahmen. Die Moleküle - hintereinander aufgereiht wie die Perlen auf einer Schnur - konnten sich nun in einer Richtung frei bewegen. Die molekularen Perlschnüre, die durch die verbliebenen Barrieren voneinander getrennt waren, verhielten sich wie eindimensionale Gase.

In diesen Gasen kam es zunächst immer wieder zu Kollisionen. Dabei sollten die Moleküle eigentlich in einzelne Atome zerbrechen und verschwinden, da sie nicht mehr vom Lichtgitter festgehalten würden. Als die Forscher zählten, wie viele Moleküle nach einiger Zeit übrig geblieben waren, erlebten sie eine Überraschung. Die Zahl der Moleküle hatte viel langsamer abgenommen, als man es für ein eindimensionales Gas erwarten würde, dessen Moleküle sich unabhängig voneinander bewegen und deshalb zwangsläufig miteinander kollidieren. In diesem Fall wären spätestens nach zwei Tausendstelsekunden alle Moleküle aus dem Lichtgitter verschwunden gewesen. Die Experimente ergaben jedoch, dass auch nach drei Tausendstelsekunden noch etwa die Hälfte der Moleküle vorhanden war. Offenbar bewirkten die Kollisionen mehr als nur das Auseinanderbrechen der betroffenen Moleküle. Sie brachten die an den Kollisionen unbeteiligten Teilchen dazu, sich aus dem Wege zu gehen, wodurch weitere Zusammenstöße vermieden wurden, wie Niels Syassen und seine Kollegen in der Zeitschrift "Science" (Bd. 320, S. 1329) berichten.

Ein derartiges Verhalten würde man üblicherweise von Molekülen erwarten, die zur Teilchensorte der "Fermionen" gehören und deshalb von Natur aus zueinander Abstand halten. Rubidiummoleküle zählen aber zu den geselligen "Bosonen". Offenbar vergessen die Teilchen schon nach wenigen Kollisionen ihre Zugehörigkeit und verhalten sich so, als seien sie Fermionen. Inelastische Zusammenstöße hatte man bei Experimenten mit Lichtgittern bisher meist als störend empfunden. Die Forscher aus Garching haben jetzt gezeigt, dass man diese Kollisionen dazu nutzen kann, die Moleküle in neuartige kollektive Zustände mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu bringen.

Text: F.A.Z., 18.06.2008, Nr. 140 / Seite N2