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F.A.Z. v. 18.8.1999

Atomare Blochwellen im Kristall

Myonen als Kerne / Kaltes Kaliumchlorid / Verlust der magnetischen Ausrichtung / Von Rainer Scharf

In einem einzelnen Atom sind die Elektronen normalerweise fest an den Atomkern gebunden.  Wenn sich Atome indes zu einem Kristall zusammenschließen, können ihre Elektronen im Einklang mit der Quantenmechanik von einem Atom zum nächsten tunneln.  Sie bilden dann sogenannte Blochwellen, Materiewellen, die sich über den gesamten Kristall erstrecken.  Doch nicht nur Elektronen, auch in den Kristall gebrachte Fremdatome sollten sich als Blochwellen beobachten lassen.  Mit normalen Atomen ist dies aber bisher nicht gelungen, weil ihre Blochwellen auf Grund der verhältnismäßig großen Masse der Atome eine zu kurze Wellenlänge besitzen.  Mit "myonischen" Atomen hingegen, die nur ein Neuntel der Masse eines Wasserstoffatoms haben und zugleich 200-mal so schwer sind wie ein Elektron, konnten jetzt erstmals atomare Blochwellen nachgewiesen werden.

Ein myonisches Atom hat ein positiv geladenes Myon als Kern, das von einem negativ geladenen Elektron umkreist wird.  Abgesehen von ihrer großen Masse, sind die Myonen den Elektronen sehr ähnlich.  Wie diese sind sie elektrisch geladen und tragen ein winziges magnetisches Moment, gewissermaßen einen Elementarmagneten, der in einem Magnetfeld entweder in Richtung des Feldes oder in die Gegenrichtung zeigen kann.  Während Elektronen stabile Teilchen sind, leben die Myonen wegen ihrer großen Masse nur etwa eine millionstel Sekunde lang.  Dann zerfällt zum Beispiel ein positiv geladenes Myon in zwei Neutrinos und ein Positron, also ein positiv geladenes Elektron.

Wegen ihrer mittelgroßen Masse, ihres magnetischen Moments sowie ihres leicht nachzuweisenden Zerfalls sind die Myonen ein ideales Werkzeug, atomare Blochwellen zu untersuchen ("Physical Review Letters", Bd. 83, S. 987).  Ryosuke Kadono vom KEK-Forschungszentrum in Tsukuba/Japan und seine Mitarbeiter benutzten für ihre Experimente zermahlenes, kristallines Kaliumchlorid, das sie mit Silberpulver in eine Form preßten.  Dies vereinfacht es, das Kaliumchlorid auf eine Temperatur von einigen tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt zu kühlen.  Erst bei dieser tiefen Temperatur kann die Wärmebewegung des Kristallgitters die Blochwellen der myonischen Atome im Kristall nicht mehr stören.  Damit das Kaliumchloridpulver die Atome aufnehmen konnte, ließen es die japanischen Wissenschaftler im Rutherford Appleton Laboratory mit Myonen bestrahlen, deren magnetische Momente durch ein starkes Magnetfeld einheitlich ausgerichtet worden waren.

Befindet sich der Kristall in einem Magnetfeld, so verlieren die myonischen Atome in ihm innerhalb einiger millionstel Sekunden ihre einheitliche magnetische Ausrichtung, da die magnetischen Momente nach und nach "umklappen".  Das können die Wissenschaftler am Zerfall der Myonen ablesen.  Zerfällt ein Myon, so fliegt das dabei entstehende Positron bevorzugt in Richtung des magnetischen Moments des Myons davon.  Beobachtet man also die Richtungen, in die die Positronen abgestrahlt werden, so erhält man Informationen über die magnetische Ausrichtung der myonischen Atome.  Woran liegt es aber, daß die magnetischen Momente umklappen?

Im Kristall haben die myonischen Atome unterschiedlicher magnetischer Ausrichtung verschiedene magnetische Energien.  Doch auch die Blochwellen, in denen sich die myonischen Atome durch den Kristall bewegen, weisen je nach Wellenlänge und Ausbreitungsrichtung unterschiedliche Energie auf.  Stimmen nun diese beiden Energieunterschiede überein, so kann das myonische Atom von einer Blochwelle zur anderen wechseln, wobei sein magnetisches Moment umklappt.  Auf diese Weise läßt sich aus der Änderung der magnetischen Ausrichtung der Myonen Information über die Energie der Blochwellen gewinnen und somit die Existenz der atomaren Blochwellen nachweisen.

In weiteren Experimenten wollen die Wissenschaftler die Energie der verschiedenen Blochwellen genauer messen.  Dadurch ließe sich studieren, wie die positiv geladenen Myonen auf die ebenfalls positiven Kristallionen wirken und das Kristallgitter geringfügig verzerren.  Man verspricht sich davon wichtige Aufschlüsse darüber, wie Fremdatome und Störstellen im Kristall dessen Eigenschaften verändern. 
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