Exotische Atombindung Ein Hauch von Anziehung: Atome im Laserstrahl

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In einer ultrakalten Atomfalle haben Forscher der TU Wien erstmals eine Art Molekül aus Licht und Materie realisiert. Mit ihrem Experiment bestätigten sie die winzigen Anziehungskräfte, die ein Laserstrahl durch Polarisierung von Atomen zwischen den Teilchen auslöst. Die Ergebnisse könnten zum Verständnis astrophysikalischer Szenarien nützlich sein.

Wien/Österreich – Ein besonderer Bindungszustand zwischen Atomen wurde nun erstmals im Labor erzeugt: Mit einem Laserstrahl lassen sich Atome polarisieren, sodass sie auf einer Seite positiv, auf der anderen Seite negativ geladen sind. Dadurch ziehen sie einander an – viel schwächer als bei der Bindung zwischen zwei Atomen in einem gewöhnlichen Molekül, aber dennoch messbar. Die Anziehungskraft geht von den polarisierten Atomen selbst aus, aber erst der Laserstrahl verleiht ihnen die Möglichkeit dazu – in gewissem Sinn handelt es sich um ein „Molekül“ aus Licht und Materie.

Theoretisch vorhergesagt wurde dieser Effekt schon lange, nun gelang es Wissenschaftlern des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) der TU Wien in Zusammenarbeit mit der Universität Innsbruck, diese exotische Atombindung erstmals zu messen. Nützlich ist diese Wechselwirkung für die Manipulation extrem kalter Atome. Auch für die Bildung von Molekülen im Weltraum könnte der Effekt eine Rolle spielen.

Licht polarisiert

Was aber passiert genau, wenn sich die Atome durch den Laserstrahl elektrisch aufladen? In einem elektrisch neutralen Atom wird ein positiv geladener Atomkern von negativ geladenen Elektronen umgeben, die sich wolkenartig in der Nähe des Atomkerns befinden. „Wenn man nun ein äußeres elektrisches Feld einschaltet, dann verschiebt sich diese Ladungsverteilung ein bisschen“, erklärt Prof. Philipp Haslinger vom Atominstitut der Technischen Universität Wien. „Die positive Ladung wird geringfügig in die eine Richtung, die negative Ladung geringfügig in die andere Richtung verschoben, das Atom hat plötzlich eine positive und eine negative Seite, es ist polarisiert.“

Licht ist nichts anderes als ein elektromagnetisches Feld, das sich sehr rasch ändert, deshalb kann man auch mit Laserlicht diesen Polarisations-Effekt hervorrufen. Wenn sich mehrere Atome nebeneinander befinden, polarisiert sie das Laserlicht alle genau auf dieselbe Weise – links positiv und rechts negativ, oder umgekehrt. In beiden Fällen wenden zwei benachbarte Atome einander unterschiedliche Ladungen zu: eine Anziehungskraft entsteht.

Antiprotonen in Superflüssigkeit

Materie und Antimaterie – vereint zu einem Hybrid-Molekül

Ultrakalte Atome untersucht

Selbst unter Verwendung eines energiereichen Laserstrahls ist der Polarisationseffekt allerdings vergleichsweise klein. „Es handelt sich hier um eine sehr schwache Anziehungskraft, daher muss man sehr sorgfältig experimentieren, um sie messen zu können“, sagt Mira Maiwöger von der TU Wien, die Erstautorin der aktuellen Publikation. „Wenn die Atome viel Energie haben und sich schnell bewegen, ist es mit der Anziehungskraft sofort wieder vorbei. Man verwendete deshalb eine Wolke aus ultrakalten Atomen.“

Die Atome werden zuerst in einer magnetischen Falle festgehalten und gekühlt, dann schalten die Forscher die Falle aus und lassen die Atome nach unten fallen. Die Atomwolke ist mit weniger als einem millionstel Kelvin zwar „ultrakalt“, hat aber genug Energie, um sich während des Fallens noch auszudehnen. Wenn die Wissenschaftler allerdings in dieser Phase mit einem Laserstrahl die Atome polarisieren und dadurch eine Anziehungskraft zwischen ihnen erzeugen, dann wird diese Ausdehnung der Atomwolke gebremst –so hat das Team die Anziehungskraft gemessen.

Exotische Effekte besser verstehen

„Einzelne Atome mit Laserstrahlen zu polarisieren ist grundsätzlich nichts Neues“, sagt Matthias Sonnleitner, der die theoretische Grundlage für das Experiment gelegt hat. „Das Entscheidende an unserem Experiment ist allerdings, dass es uns erstmals gelungen ist, mehrere Atome auf kontrollierte Weise gemeinsam so zu polarisieren, dass dadurch eine messbare Anziehungskraft zwischen ihnen entsteht.“

Diese Anziehungskraft ist ein nützliches Werkzeug um ultrakalte Atome noch besser zu kontrollieren als bisher. Aber auch für die Astrophysik könnte sie wichtig sein: „In den Weiten des Weltraums können kleine Kräfte eine große Rolle spielen“, sagt Forschungsleiter Haslinger. „Hier konnten wir zum ersten Mal zeigen, dass elektromagnetische Strahlung eine Kraft zwischen Atomen erzeugen kann. Das kann vielleicht helfen, neues Licht auf bisher noch nicht erklärbare astrophysikalische Szenarien zu werfen.“

Originalpublikation: Mira Maiwöger et al.: Observation of Light-Induced Dipole-Dipole Forces in Ultracold Atomic Gases, Phys. Rev. X 12, 2022, DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031018

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