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F.A.Z. v. 15.12.1999

Das kleinste Zyklotron

Untersuchung einzelner Elektronen / Absorption von Photonen / Von Rainer Scharf

In einem Magnetfeld bewegen sich elektrisch geladene Teilchen auf kreis- oder schraubenlinienförmigen Bahnen um die magnetischen Feldlinien. Darauf beruht die Wirkungsweise des 1931 entwickelten Zyklotrons, mit dem man erstmals Protonen in großer Zahl auf so hohe Energien beschleunigen konnte, wie sie in der experimentellen Kernphysik benötigt werden. Ein Zyklotron, das nur ein einziges, nahezu ruhendes Elementarteilchen aufnimmt, schien daher ohne großen Nutzen zu sein. Doch jetzt haben Steven Peil und Gerald Gabrielse von der Harvard University in Cambridge/Massachusetts solch ein Zyklotron gebaut und mit seiner Hilfe die quantenphysikalischen Eigenschaften eines einzelnes Elektrons untersucht.

Das neue Zyklotron besteht aus einem nur wenige Zentimeter hohen Metallzylinder, in dem sich eine so genannte Penning-Falle befindet, die ein einzelnes Elektron mit Hilfe elektrischer Felder festhält (Physical Review Letters", Bd. 83, S. 1287). Ein Magnetfeld, das in Richtung der Zylinderachse zeigt, zwingt das Elektron auf eine kreisförmige Bahn um diese Achse, wobei der Bahndurchmesser mit der Bewegungsenergie des Elektrons zunimmt. Zur Bestimmung dieses Durchmessers regt man das kreisende Elektron zu Schwingungen längs der Feldlinien, also senkrecht zur Bahnebene an und misst den dabei fließenden winzigen Wechselstrom, dessen Frequenz vom Bahndurchmesser abhängt. Bei dieser Messung wird die kreisförmige Bewegung des Elektrons nicht gestört.

Kühlt man die Falle auf einige Grad über dem absoluten Nullpunkt ab, so verringert sich die Bewegungsenergie des Elektrons so weit, dass es nahezu ruht. Sein Zustand kann dann nur mit Hilfe der Quantenmechanik beschrieben werden. Das heißt, das Elektron gibt seine Energie in einzelnen Paketen ab, wobei es jeweils ein Photon abstrahlt. Auch die Aufnahme von Energie ist gequantelt. Das einzelne Elektron verhält sich also wie ein Elektron in einem Atom. Durch Beobachtung der Schwingungen längs der magnetischen Feldlinien können die Wissenschaftler deshalb seinen Quantenzustand störungsfrei und kontinuierlich messen. So wird es möglich, dem Elektron gewissermaßen zuzuschauen, wie es ein Photon abgibt oder sich aus der im Zyklotron vorhandenen Wärmestrählung einverleibt.

Je wärmer es im Zyklotron ist, desto mehr Photonen nimmt das Elektron auf. Bei 4 Kelvin wurden innerhalb von 70 Sekunden vier Photonen hintereinander vom Elektron absorbiert, wie die Wissenschaftler beobachteten. Bei einer Temperatur von weniger als einem hundertstel Kelvin hingegen trifft man das Elektron stets im Zustand geringst möglicher Energie an, da die zu seiner Anregung nötigen Photonen dann kaum mehr zur Verfügung stehen. Die Wissenschaftler wollen mit Hilfe ihres Zyklotrons auch die magnetischen Eigenschaften des Elektrons untersuchen, die mit seinem Spin zusammenhängen. Dadurch ließe sich die Quantentheorie des Lichtes mit bisher unerreichter Präzision überprüfen. Zudem planen sie Experimente mit einzelnen Positronen - den positiv geladenen Antiteilchen der Elektronen. Ein möglicher Unterschied im Verhalten der Positronen und Elektronen würde auf fundamentale Eigenschaften der Materie hindeuten. 
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