Durch einen Laserstrahl ist die Polarisierung von Atomen möglich, sodass diese auf der einen Seite positiv und auf der anderen negativ geladen werden können. Dadurch werden sie zueinander hingezogen, wodurch ein einzigartiger Bindungszustand entsteht, der deutlich schwächer ist als die Verbindung zwischen zwei Atomen in einem bestimmten Molekül, aber dennoch quantifizierbar ist. Der Laserstrahl, den man sich als „Molekül“ aus Licht und Materie vorstellen kann, verleiht den polarisierten Atomen gewissermaßen die Kraft, sich gegenseitig anzuziehen.
Dieses Phänomen wurde theoretisch schon lange erwartet, aber Forscher am Universität Innsbruck und das Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) am TU Wien ist nun die erste Messung dieser ungewöhnlichen Atomverbindung gelungen. Sie stellten im Labor erstmals einen ganz besonderen Bindungszustand zwischen Atomen her. Diese Wechselwirkung kann zur Manipulation sehr kalter Atome genutzt werden und kann auch Einfluss darauf haben, wie sich Moleküle im Weltraum bilden.
Prof. Philipp Haslinger, dessen Forschung am Atominstitut der TU Wien durch das FWF START-Programm gefördert wird, sagte: „In einem elektrisch neutralen Atom ist ein positiv geladener Atomkern von negativ geladenen Elektronen umgeben, die den Atomkern ähnlich wie eine Wolke umgeben. Wenn man nun ein externes elektrisches Feld einschaltet, verschiebt sich diese Ladungsverteilung ein wenig.“
„Die positive Ladung verschiebt sich leicht in die eine Richtung, die negative Ladung leicht in die andere Richtung, das Atom hat plötzlich eine positive und eine negative Seite, polarisiert.“
Das Erzeugen eines Polarisationseffekts mit Laserlicht ist möglich, da Licht nur eine ist elektromagnetisches Feld das ändert sich schnell. Das Licht polarisiert alle Atome (wenn sie nebeneinander platziert werden) auf die gleiche Weise – links positiv und rechts negativ oder umgekehrt. In beiden Fällen richten zwei benachbarte Atome unterschiedliche Ladungen aufeinander zu und erzeugen so eine Kraft zwischen ihnen.
Mira Maiwöger von der TU Wien, die Erstautorin der Publikation, sagte: „Das ist eine sehr schwache Anziehungskraft, daher muss man sehr sorgfältig experimentieren, um sie messen zu können. Wenn Atome viel Energie haben und sich schnell bewegen, ist die Anziehungskraft sofort weg. Deshalb wurde eine Wolke aus ultrakalten Atomen verwendet.“
Mira Maiwöger von der TU Wien, die Erstautorin der Publikation, sagte: „Das ist eine sehr schwache Anziehungskraft, daher muss man sehr sorgfältig experimentieren, um sie messen zu können. Wenn Atome viel Energie haben und sich schnell bewegen, ist die Anziehungskraft sofort weg. Deshalb wurde eine Wolke aus ultrakalten Atomen verwendet.“
Wissenschaftler verwendeten eine Technik, bei der sie die Atome zunächst in einer Magnetfalle auf einem Atomchip einfingen und dann abkühlten. Nach Ausschalten der Falle werden die Atome dann im freien Fall freigesetzt. Obwohl die Atomwolke „ultrakalt“ ist – mit einer Temperatur von weniger als einem Millionstel Kelvin –, verfügt sie über genügend Energie, um während des Herbstes zu wachsen. Dieses Atomwolkenwachstum wird jedoch verlangsamt, wenn die Atome in dieser Phase mit einem Laserstrahl polarisiert werden und so eine Anziehungskraft zwischen ihnen entsteht. So wird die Anziehungskraft gemessen.
Matthias Sonnleitner, der die theoretischen Grundlagen für das Experiment legte, sagte: „Die Polarisation einzelner Atome mit Laserstrahlen ist nichts Neues. Das Entscheidende an unserem Experiment ist jedoch, dass es uns erstmals gelungen ist, mehrere Atome kontrolliert zusammen zu polarisieren und so eine messbare, anziehende Kraft zwischen ihnen zu erzeugen.“
Philipp Haslinger sagte, „Diese Anziehungskraft ist ein ergänzendes Werkzeug zur Kontrolle kalter Atome. Aber auch in der Astrophysik könnte es wichtig sein: In den Weiten des Weltraums können kleine Kräfte eine bedeutende Rolle spielen. Hier konnten wir erstmals zeigen, dass elektromagnetische Strahlung eine Kraft zwischen Atomen erzeugen kann, was dazu beitragen kann, neues Licht auf bisher ungeklärte astrophysikalische Szenarien zu werfen.“
Journal Referenz:
- Mira Maiwöger, Matthias Sonnleitner et al. Beobachtung lichtinduzierter Dipol-Dipol-Kräfte in ultrakalten Atomgasen. Phys. Rev. X. 12, 031018 – Veröffentlicht am 27. Juli 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevX.12.031018
