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Quanteninterferenz hält zwei Atome trotz ausreichender Zerfallsenergie gebunden
Wenn die Bestandteile eines Moleküls genügend Energie besitzen, können sie sich normalerweise voneinander lösen. Ein Experiment mit ultrakalten Lithiumatomen zeigt nun eine außergewöhnliche Ausnahme. Durch gezielte Quanteninterferenz entsteht ein gebundener Zustand oberhalb der Zerfallsschwelle, obwohl die Atome dort eigentlich frei auseinanderfliegen könnten.
Kaiserslautern (Deutschland). Ob Atome ein Molekül bilden oder sich trennen, hängt normalerweise von ihrer Energie und den Kräften zwischen ihnen ab. Ein Molekülzustand unterhalb der sogenannten Dissoziationsschwelle ist gebunden, während oberhalb dieser Grenze frei bewegliche Atome möglich sind.
Die Quantenphysik lässt unter bestimmten Bedingungen jedoch eine Ausnahme zu. Durch die Überlagerung verschiedener quantenmechanischer Wege kann ein Zustand vom Bereich frei beweglicher Teilchen entkoppelt bleiben und trotzdem eine höhere Energie besitzen. Ein solcher gebundener Zustand im Kontinuum wurde für das Zusammenwirken zweier Streuresonanzen bereits 1985 theoretisch vorhergesagt.
Forscher der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) um Prof. Dr. Artur Widera haben diese Form der Bindung nun bei Stößen ultrakalter Lithium-6-Atome experimentell nachgewiesen. Dazu kühlten sie ein Atomgas auf weniger als 600 Nanokelvin und setzten es einem schnell schwingenden Magnetfeld aus, mit dem sich die Wechselwirkungen gezielt verändern ließen.
Das Magnetfeld erzeugte und verschob zwei sogenannte Feshbach-Resonanzen, bei denen die Wechselwirkung zwischen kollidierenden Atomen besonders ausgeprägt ist. Werden die Resonanzen geeignet miteinander gekoppelt, können sich die quantenmechanischen Beiträge zu einem Zerfallsweg gegenseitig auslöschen. Der entstehende molekulare Zustand besitzt dann zwar genügend Energie für eine Trennung der Atome, ist aber weitgehend vom Kontinuum der Streuzustände entkoppelt.
„Die Wellennatur der Materie ermöglicht es einem Zustand, gebunden zu bleiben, obwohl wir normalerweise erwarten würden, dass er zerfällt“, erklärt Prof. Dr. Artur Widera.
Der Mechanismus unterscheidet sich von der üblichen Bindung durch eine Energieschwelle. Er beruht stattdessen auf destruktiver Interferenz, also der gegenseitigen Aufhebung zweier überlagerter Wellenbeiträge. Dabei lassen sich die Bedingungen für die Entkopplung über die Frequenz des Magnetfelds gezielt einstellen.
Um den außergewöhnlichen Zustand zu identifizieren, kombinierte das Team drei verschiedene Messansätze. Es bestimmte die Atomverluste bei Zusammenstößen, beobachtete die Bewegung der Atomwolke nach einer plötzlichen Änderung ihrer Falle und untersuchte molekulare Zustände mithilfe von Radiowellen.
In einem eng begrenzten Bereich der Magnetfeldparameter verschwand das sonst typische Verlustsignal einer Streuresonanz. Zugleich blieb die erwartete kollektive Schwingung der Atomwolke aus, was auf die Unterdrückung auch der elastischen Wechselwirkungen hinweist. Die zusätzliche Spektroskopie stützte die Deutung, dass ein molekularer Zustand oberhalb der Trennungsschwelle vom Streukontinuum entkoppelt war.
Der Zustand wurde also nicht als einzelnes dauerhaft bestehendes Molekül direkt fotografiert, sondern anhand seiner charakteristischen Auswirkungen auf die Streuprozesse erkannt. Detaillierte Berechnungen und ein vereinfachtes quantenmechanisches Modell stimmten mit den beobachteten Signaturen überein. Damit lässt sich der experimentelle Befund dem lange vorhergesagten Friedrich-Wintgen-Mechanismus zuordnen.