Empfindsame Riesen

Unsere Vorstellungen und unser Wissen über die Eigenschaften von Atomen als elementare Bausteine der Materie sind bis in die jüngste Zeit einem stetigen Wandel unterworfen. Die Jahrhunderte vor der Entdeckung der quantenphysikalischen Gesetze des Mikrokosmos waren durch ein mechanistisches Weltbild und von der Vorstellung eines Atoms als einer unteilbaren Einheit geprägt. Erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts entdeckte man, dass Atome zusammengesetzte Objekte sind, das heißt aus leichten Elektronen und sehr massereichen Atomkernen bestehen.

Die Widersprüchlichkeiten einer mechanischen Beschreibung dieser zusammengesetzten Atome sowie die experimentellen Erkenntnisse des 20. Jahrhunderts führten schließlich zur Entwicklung der Quantenphysik. Danach können die Elektronen im Atom nur bestimmte Quantenzustände annehmen, die durch diskrete Energien charakterisiert sind. Der Übergang zwischen diesen Zuständen erfolgt durch die Emission oder Absorption von Photonen, den diskreten Quanten des Lichtes.

Vom Punktteilchen zum Riesenatom

Atome, zum Beispiel in der uns umgebenden Atmosphäre, befinden sich entweder in ihrem energetisch tiefstmöglichen Quantenzustand, dem sogenannten elektronischen Grundzustand, oder in einem der direkt darüberliegenden angeregten Zustände. Sie sind nur einige Millionstel Millimeter groß, weshalb man sie in der Physik oft als Punktteilchen behandelt. Hoch angeregte Atome, sogenannte Rydbergatome, sind dagegen wahre Giganten: Ihre räumliche Ausdehnung ist mit der Dicke eines menschlichen Haars vergleichbar.

Möglich gemacht wurde die gezielte Herstellung dieser Riesenatome durch die moderne Lasertechnologie. Dabei absorbiert ein Grundzustandsatom ein oder mehrere Photonen aus dem Lichtfeld eines Lasers und wird so in einen Rydbergzustand gebracht.

Ihre Größe verleiht Rydbergatomen eine Reihe von außergewöhnlichen Eigenschaften, die sie ins Zentrum der modernen atomphysikalischen Forschung gerückt haben. So reagieren sie zum Beispiel extrem empfindlich auf ihre Umgebung: Äußere elektrische oder magnetische Felder verschieben und deformieren die elektronische Ladungswolke um den Atomkern, was zu einer nahezu unglaublichen Vielfalt möglicher elektronischer Zustände führt. Erhöht man die Stärke des elektrischen Feldes weiter, so wird das Elektron aus dem Atom entfernt, das heißt die Atome werden ionisiert.

Chaotische Diffusion und Riesendipole

Eine sehr spezielle Eigenschaft von Rydbergatomen ist, dass sie sich in magnetischen Feldern selbst ionisieren können. Bereits in einem homogenen, das heißt räumlich konstanten Magnetfeld bewegt sich das Atom nicht mehr unabhängig von seinem angeregten Elektron. Diese Kopplung ermöglicht Energieaustauschprozesse zwischen der atomaren und der elektronischen Bewegung: Das Rydbergatom kann seine Bewegungsenergie vermindern, indem es ein Elektron mit hoher Energie emittiert und damit sich selbst ionisiert.

Die beschriebene Kopplung kann aber auch chaotische Folgen haben: Während Rydbergatome sich im feldfreien Raum geradlinig bewegen, gehen sie in einem homogenen Magnetfeld zu einer zufallsartigen, diffusiven Bewegung über. Eine ganz außergewöhnliche Form von Materie entsteht, wenn man Rydbergatome einem kombinierten magnetischen und elektrischen Feld aussetzt. Unter diesen Umständen können sogenannte Riesendipolatome entstehen, in denen ein Elektron nicht mehr um den Kern rotiert, sondern um eine Gleichgewichtsposition weitab vom Kern oszilliert.

Die Wechselwirkung dieser Atome ist stark richtungsabhängig, weshalb Materie aus solchen Atomen eher zur Bildung von Schichten als zur Bildung von „normalen“ kristallinen Strukturen neigt. Auch für Materie-Antimaterie-Systeme sind Riesendipolzustände von besonderer Bedeutung. Zum Beispiel vernichten sich ein Elektron (Materie) und ein Positron (Antimaterie) unter Normalbedingungen durch Freisetzung sehr energiereicher Strahlung innerhalb kürzester Zeit, das heißt typischerweise auf der Zeitskala von wenigen Milliardstel Sekunden. In Riesendipolzuständen hingegen werden die beiden Teilchen durch eine Potenzialbarriere am Zusammentreffen gehindert. Dadurch können Lebensdauern dieser Mischatome von bis zu zehn Jahren erreicht werden, was sie zu vielversprechenden Kandidaten eines Extrem-Energiespeichers werden lässt.

Kalt, kälter, ultrakalt

Abgesehen von den elektronischen Zuständen kann ein Atom auch als Ganzes unterschiedliche Bewegungszustände einnehmen: Seine Schwerpunktsbewegung hängt entscheidend von der Temperatur des entsprechenden atomaren Gases ab. So wurde bereits vor einem Jahrhundert von Bose und Einstein vorhergesagt, dass bei Temperaturen von nur wenigen Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt die sonst klassische Schwerpunktsbewegung Wellencharakter erwirbt und die Atome im Gas unisono in einem einzigen Quantenzustand schwingen. Mit der experimentellen Entdeckung dieser sogenannten Bose-Einstein-Kondensation im Jahr 1995 war das Gebiet der Materiewellen- oder Atomoptik geboren. Eine Vielzahl von Folgeentdeckungen hat es in den letzten Jahren zu einem der spannendsten Gebiete der Physik werden lassen, das auch erste Anwendungen zum Beispiel in der Quanteninformationsverarbeitung hervorgebracht hat.

Dabei kommt der Wechselwirkung zwischen den Atomen eine zentrale Bedeutung zu. Bis jetzt hat man sich auf Grundzustandsatome konzentriert, deren Wechselwirkung kurzreichweitig ist, das heißt die Atome spüren sich nur, wenn sie einander sehr nahe sind. Andererseits ist wohlbekannt, dass gerade langreichweitige Wechselwirkungen eine sehr struktur- und phänomenreiche Physik (zum Beispiel Quanten-Phasenübergänge) hervorbringen.

Rydbergatomen kommt hier eine Schlüsselstellung zu. Durch ihre Sensitivität gegenüber äußeren Einflüssen spüren sie andere Rydbergatome auch über große Distanzen und zeigen damit genau das gewünschte Verhalten. Durch Laseranregung ultrakalter Grundzustands- atome kann man somit ein Ensemble von ultrakalten Rydbergatomen erhalten, das – je nach elektronischem Quantenzustand der Atome – eine Vielfalt von interatomaren Wechselwirkungen aufweist.

Fangen und Formen

Neben dem Kühlen von Atomen bis hin zu ultrakalten Temperaturen ist die Möglichkeit, kalte Atome einzufangen, ein weiterer zentraler Schritt auf dem Weg zu ultrakalten Quantengasen. Die dazu benötigten Atomfallen bestehen aus elektrischen oder magnetischen Feldern, oder aus einer Kombination von beiden. Das Fangen der Atome erlaubt nicht nur präzise experimentelle Untersuchungen, sondern führt aufgrund der großen Variabilität der Fallenarten zusätzlich zu einer Vielzahl von interessanten Phänomenen in ultrakalten Gasen.

Aufgrund der rapiden Entwicklung der Atomoptik in den letzten Jahren sind diese Technologien – zumindest für Grundzustandsatome – weit verbreitet, und so ist die Herstellung von Bose-Einstein-Kondensaten heutzutage nahezu routinemäßig möglich. Für Rydbergatome hingegen betritt man hier wissenschaftliches Neuland: Unsere Arbeitsgruppe am Physikalischen Institut entwickelt die theoretischen Konzepte und Methoden, welche es den Experimentatoren erlauben werden, ultrakalte Rydbergatome zu fangen und kontrolliert zu verarbeiten.

Spannend an gefangenen Rydbergatomen ist insbesondere die Kopplung der Bewegung der Atome als Ganzes mit der Dynamik der Elektronen im Atom. Die atomaren und elektronischen Quanteneigenschaften sind somit untrennbar miteinander verwoben: Beispielsweise hängt die Form der Elektronenwolke von der Position des Atoms im Feld ab. Unserem Forscherteam am Physikalischen Institut ist es gelungen, Methoden zur Präparation dieser atomar-elektronischen Hybridzustände zu entwickeln.

Wer sich auf Rydbergatome einlässt, sollte aber bedenken, dass das Zusammentreffen zweier Artgenossen fatale Folgen haben kann: Bei kleiner werdenden Abständen beginnen die Elektronen der Atome zu interagieren, was zum Energieaustausch und damit zur Ionisation eines der Atome führen kann. Möchte man ein ultrakaltes Gas aus Rydbergatomen erhalten, gilt es, diesen Zerfallsprozess zu verhindern.

Auch zu dieser Problemstellung haben wir einen vielversprechenden Lösungsansatz entwickelt, der es ermöglicht, die Rydbergatome wie Perlen an einer Kette aneinanderzureihen. Dazu legt man in einer eindimensionalen Magnetfalle ein zusätzliches elektrisches Feld an, das den Ladungsschwerpunkt der negativ geladenen Elektronen vom positiv geladenen Atomkern trennt und so elektrische Dipolmomente induziert. Die Ausrichtung der Dipole der Rydbergatome bewirkt eine abstoßende Kraft, welche verhindert, dass die Atome sich zu nahe kommen und sich gegenseitig ionisieren. Unsere Untersuchungen am Physikalischen Institut haben gezeigt, dass auf diesem Wege in der Tat eine Stabilisierung von eindimensionalen Rydberggasen möglich ist.

Obwohl wir uns bisher auf einige grundlegende Eigenschaften von Rydbergatomen konzentriert haben, lässt sich schon jetzt die enorme Vielseitigkeit der Rydbergphysik erahnen. Neben der Stabilisierung ist zum Beispiel auch der kontrollierte Kollaps in ein ultrakaltes neutrales Rydbergplasma ein spannendes Szenario: Plasmen sind eine Form der Materie, in der ein wesentlicher Teil der neutralen Atome ionisiert vorliegt, das heißt, die Mehrzahl der Elektronen und Ionen sind frei beweglich. Die Möglichkeit, diese exotischen Zustände der Materie im Labor zu erzeugen, wird zum Verständnis der Oberfläche von Neutronensternen oder dem Inneren von Planeten, beispielsweise von Jupiter, beitragen.

Rydberggase und Rydbergplasmen verbinden somit in nahezu idealer Weise Atomphysik, Plasmaphysik und Festkörperphysik. Erst jetzt beginnt man aber, das enorme Potenzial der ultrakalten Rydbergphysik zu entdecken, und die nächsten Jahre werden sehr spannende Entwicklungen in diesem Gebiet mit sich bringen.

Prof. Dr. Peter Schmelcher leitet zwei Arbeitsgruppen im Physikalisch-Chemischen-Institut und im Physikalischen Institut der Universität Heidelberg. Aufenthalte an der University of California, Santa Barbara, und insbesondere am Institut für Theoretische Atom- und Molekülphysik des Harvard-Smithsonian Center haben seine wissenschaftlichen Forschungsschwerpunkte geprägt. Seit dem Jahr 2006 ist er Sprecher der im Rahmen der Exzellenzinitiative etablierten „Heidelberger Graduiertenschule für Fundamentale Physik“.
Kontakt: peter.schmelcher@pci.uni-heidelberg.de