14.12.2011

Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Schneckentempo statt Lichtgeschwindigkeit

Nicht immer muss ein Teilchen den Berg der Aktivierungsenergie überwinden. Unter bestimmten Bedingungen nehmen Atome eine Abkürzung, indem sie das Hindernis einfach durchtunneln. Physikern der Universität Bonn ist es nun gelungen, an stark gekühlten Rubidium-Atomen und einem optischen Gitter diesen schon im Jahr 1929 beschriebenen Klein-Tunneleffekt zu beobachten, der eigentlich Teilchen nahe der Lichtgeschwindigkeit vorbehalten ist. Sie stellen ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Physical Review Letters“ vor.

Wenn ein Ball genügend Schwung hat, rollt er locker über einen kleineren Hügel hinweg. Ist der Berg allerdings zu steil und zu hoch, kullert das runde Gebilde wieder zurück. Ähnlich ergeht es auch atomaren Teilchen, wenn sie einen „Energieberg“ überwinden müssen. Ist ihre Aktivierungsenergie geringer als für die Höhe der Barriere erforderlich, können die Partikel das Hindernis nicht überwinden. Soweit die klassische Physik. Doch in der Quantenmechanik gibt es auch Ausnahmen: Unter bestimmten Voraussetzungen schaffen es die Teilchen, den Berg quasi zu durchtunneln. Beim üblichen Quantentunneln können extrem dünne und flache Barrieren überwunden werden. Aber bereits 1929 sagte der schwedische Physiker Oskar Klein für sehr schnelle Teilchen voraus, dass sie im Prinzip sogar beliebig dicke Barrieren passieren können. Dieses Phänomen ist als Klein-Tunneleffekt bekannt.

Viele Teilchen auf engstem Raum

Für die Beobachtung des Klein-Tunneleffekts an frei fliegenden Elektronen müssten die Teilchen mit nahezu der Lichtgeschwindigkeit von rund 300.000 Kilometer pro Sekunde dahinrasen. „Außerdem bräuchte man gigantische elektrische Feldstärken von 10.000.000.000.000.000 Volt – also zehn Billiarden Volt – pro Zentimeter“, sagt Prof. Dr. Martin Weitz vom Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn. „Solch hohe Feldstärken haben bisher eine experimentelle Beobachtung verhindert.“ Mit Hilfe eines variabel geformten optischen Gitters wies das Forscherteam um Prof. Weitz nun das Klein-Tunneln eines atomaren Bose-Einstein-Kondensats nach. Es entsteht, wenn so viele Teilchen auf engstem Raum konzentriert werden, dass sie nicht mehr zu unterscheiden sind. Sie verhalten sich dann wie ein einziges „Superteilchen“.

Quantenmechanische Effekte verwandeln „Berge“ in „Täler“

Mit der Versuchsanordnung verringerten die Wissenschaftler die effektive Lichtgeschwindigkeit der Teilchen von blitzschnell auf das Tempo einer Schnecke, die mit rund einem Zentimeter pro Sekunde dahin kriecht. Die Bonner Physiker erzeugten das Bose-Einstein-Kondensat, indem sie Rubidiumatome sehr stark abkühlten. Anschließend luden sie das Gebilde auf eine Art optische Wellpappe, die sie aus gegenläufigen Lichtwellen erzeugt hatten, und rüttelten gewissermaßen das Ganze durch. Dann bewegten sie den Haufen aus Rubidiumatomen auf den Potentialberg zu. Quantenmechanische Effekte sorgten wie von Zauberhand dafür, dass sich der „Berg“ für die pendelnden Rubidiumatome in ein leicht passierbares „Tal“ verwandelten. Interessanterweise verhielten sich die Atome hier wie rückwärts laufende Antiteilchen. „Dass Gitter macht aus den Rubidiumatomen relativistische Teilchen, die sich ganz anders verhalten, als es die klassische Physik vorhersagt“, erläutert Prof. Weitz.

Ergebnisse decken sich mit der relativistischen Wellengleichung

Vor dem Hintergrund der Alltagserfahrung lässt sich dieser Effekt nur schwer erklären. „Man kann sich das entfernt so vorstellen, als würden die Teilchen im Gitter sehr schnell hin und her pendeln“, sagt der Physiker der Universität Bonn. „Obwohl die Vorwärtsgeschwindigkeit verglichen mit einem rollenden Ball nur sehr gering ist, haben die Atome sehr viel Energie.“ Naht nun ein Berg, verringern die Teilchen ihre Pendelbewegung und stecken ihre Energie in den Gipfelsturm. „Dieses Experiment beweist, dass die Ergebnisse für ultrakalte Atome in optischen Gittern mit den Vorhersagen der relativistischen Wellengleichung übereinstimmen“, sagt Prof. Weitz. „Es lassen sich so sonst schwer zugängliche relativistische Effekte im Labormaßstab nachweisen“.

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