Physik

Rubidium-Moleküle (blau) werden in einem periodischen Potential festgehalten. Wird das Potential entfernt, so würden die Moleküle sich normalerweise frei bewegen. Um sich nicht gegenseitig zu zerstören, bleiben die Moleküle jedoch in ihrem Anfangszustand

Gesellige Teilchen auf dem Egotrip

Ob ein Material magnetisch oder elektrisch leitend ist, entscheidet das komplexe Zusammenspiel seiner vielen elementaren Bausteine, die sich gegenseitig stark beeinflussen. Dabei spielt eine zentrale Rolle, ob diese zu den Fermionen oder Bosonen gehören. Der Unterschied zwischen diesen beiden Teilchensorten lässt sich mit zwei Typen von Kneipenbesuchern veranschaulichen: Die einen hocken in Grüppchen zusammen, fachsimpeln lautstark über Fußball oder spielen Karten. Die anderen steuern zielsicher auf den letzten leeren Tisch zu. Etwa so wie die geselligen Leute verhalten sich die Bosonen, während Fermionen den Eigenbrötlern gleichen.
Genau wie sich die Kartenspieler gerne zusammensetzen, so nehmen Bosonen bei sehr tiefen Temperaturen am liebsten denselben Quantenzustand ein. Im Extremfall bilden sie ein Bose-Einstein-Kondensat, in dem etwa 100 000 Teilchen zu einem Riesenatom verschmelzen. Alle Einzelatome darin besitzen dieselben Quanteneigenschaften, sind in ihrem Aufenthaltsort aber vergleichsweise unabhängig von den anderen. Fermionen in einem abgeschlossenen System müssen sich dagegen jeweils in mindestens einer Quantenzahl voneinander unterscheiden. Ihr Zustand hängt deshalb stark von den Quantenzahlen der anderen Fermionen ab. Im Bild der Kneipe: Da sich die Eigenbrötler immer nur an leere Tische setzen, müssen sie sich nach den Sitzplätzen der anderen Kneipenbesucher richten.

Doch man stelle sich vor, einer der kontaktfreudigen Besucher hätte beim Kartenspielen gemogelt. Keiner will’s gewesen sein und beleidigt setzen sich alle an Einzeltische. Sie tun das aus Selbstschutz, denn kämen sie sich zu nahe, hätten sie in kürzester Zeit großen Krach und würden vermutlich bald aus der Kneipe geworfen. Und das, obwohl sie doch eigentlich so gesellig sind. Im Experiment des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik ist etwas Ähnliches passiert - mit bosonischen Molekülen. Anstatt sich frei zu bewegen wie es ihrer Natur entspricht, halten sie Abstand voneinander. Sie legen also genau das Verhalten von Fermionen an den Tag. Dadurch retten sie sich vor der gegenseitigen Zerstörung: Würden sich die fragilen Moleküle heftig bewegen, stießen sie immer wieder zusammen und zerfielen.

Diesen Effekt haben Physiker bei Rubidium-Molekülen, die zu den Bosonen zählen, beobachtet. Sie werden dazu in ein dreidimensionales optisches Gitter verteilt. Das Gitter ist eine Art Kristall aus Licht, das von überlagerten stehenden Lichtwellen aus allen drei Raumrichtungen erzeugt wird. Das entstehende Laserlichtfeld ähnelt in seiner Form einem Stapel von Eierkartons, in dessen einzelnen Mulden sich jeweils genau ein Molekül niederlässt. Die Mulden sind zunächst so tief, dass die Moleküle darin gefangen sind und nicht auf Nachbarplätze abwandern können. Was aber passiert, wenn das Lasergitter direkt im Anschluss daran so verändert wird, dass es die Form eines Stapels von Wellblechen annimmt? Die Moleküle sitzen nun perlenkettenförmig aufgereiht in einer Art Rinne und haben prinzipiell die Möglichkeit, sich in einer Dimension - entlang der Rinne - zu bewegen. Man könnte also erwarten, dass die Moleküle nun mit ihren Nachbarn zusammenstoßen und aufgrund ihrer fragilen Bauart dabei zerstört werden. Die Bindungsenergie, die dabei frei wird, reicht aus, um die zusammenstoßenden Moleküle aus der Rinne zu katapultieren und damit aus dem Beobachtungsfeld verschwinden zu lassen. Die Moleküle im Gitter werden also rapide weniger.

Im Experiment rühren sich die Teilchen kaum noch vom Fleck und stoßen deutlich seltener zusammen als unabhängige Teilchen. Offenbar beeinflussen sie sich also gegenseitig. "Eigentlich kann man sich die Moleküle wie fragile Seifenblasen vorstellen", erklärt Dominik Bauer. "Wenn sie mit einem Nachbarn zusammenstießen, würden beide zerfallen. Da die Moleküle aber von der Quantenmechanik beherrscht werden, tun sie dies nicht." Dieser quantenmechanische Zwang nennt sich Zeno-Effekt. Er bewirkt, dass Quanten-Vorgänge langsamer oder gar nicht ablaufen, wenn sie beobachtet werden. Im Experiment der Max-Planck-Forscher beobachten sich die Moleküle hier sozusagen selbst. Dabei gibt es zunächst einmal zwei Möglichkeiten: Zusammenstoß und dann Verschwinden oder eine Existenz auf Abstand. Solange die Teilchen nicht beobachtet werden, bestehen den Gesetzen der Quantenphysik zufolge beide Möglichkeiten gleichzeitig.

Doch indem die Rubidium-Moleküle zerfallen oder eben nicht, zeigen sie in jedem Moment, welcher Möglichkeit sie folgen. Obwohl ein Zerfall mit der Zeit eigentlich immer wahrscheinlicher würde, bewirkt der Zeno-Effekt genau das Gegenteil: Da die Teilchen sich sozusagen jederzeit beobachten, wird die Zeit quasi immer wieder auf Null gesetzt. Dass sie sich gegenseitig auslöschen, wird dann unwahrscheinlicher. Das heißt: Die Teilchen halten Abstand. Damit verhalten sich die Rubidium-Moleküle, also Bosonen, wie ihre elementaren Gegenstücke, die Fermionen.

Das beobachtete Zusammenspiel der Bosonen zeigt Möglichkeiten auf, hohe Teilchenverluste in anderen Quantensystemen zu verlangsamen, sodass Experimente innerhalb vernünftiger Zeitspannen durchzuführen sind. Obwohl Festkörper milliardenfach dichter sind als die Moleküle im Experiment, lassen sich diese Ergebnisse prinzipiell auch auf Hochtemperatursupraleiter oder magnetische Materialien übertragen. Das optische Gitterfeld, das die Garchinger Physiker für Ihre Experimente nutzen, könnte dabei als Modell für die Potenziale von Atomkernen in einem Leitermaterial dienen, die Elektronen auf ihren Plätzen festhalten.

Max-Planck-Gesellschaft (Juni 2008)