Feshbach-Resonanzen zwischen einzelnem Ion und ultrakalten Atomen

Einem Team der Universitäten Freiburg, Warschau und Hannover ist es gelungen, magnetische Feshbach-Resonanzen zwischen einem einzelnen Barium-Ion und Lithium-Atomen in der Nähe des absoluten Nullpunkts der Temperatur zu demonstrieren. Wie die Forscher dabei feststellten, lässt sich die Ausdehnung des Ions und der Atome dabei je nach Stärke des äußeren Magnetfelds steuern.

„Bei diesen ultrakalten Temperaturen offenbaren die Zusammen­stöße zwischen Teilchen ihre quanten­mechanische Natur“, erklärt Tobias Schätz von der Uni Freiburg. „Unsere Forschung hat gezeigt: Wir lernen etwas besser, welche Möglich­keiten es gibt, die quanten­mechanischen Eigen­schaften des Wellen-Teilchen-Dualismus zu kontrollieren.“

In der klassischen Physik verlangsamt sich die Molekül­bildung von Atomen und Ionen üblicher­weise mit abnehmender Temperatur, bis es schließlich so kalt wird, dass die einzelnen Teilchen still­stehen und es zu keiner Kollision beziehungs­weise Reaktion mehr kommen kann. Die Gesetze der Quanten­physik prognos­tizieren jedoch, dass bei ultra­niedrigen Temperaturen nicht die klassischen Gesetze, sondern Quanten­effekte dominieren und das Aufein­ander­treffen von Atomen und Ionen plötzlich anderen Regeln folgt.

Im Quantenbereich, in dem der Welle-Teilchen-Dualismus vorherrscht, führt eine ultrakalte Temperatur – kurz über dem absoluten Nullpunkt bei -273,15 Grad Celsius – wieder zu einer Erhöhung der Kollisions­raten. Der Grund: Die Teilchen können nicht mehr als kolli­dierende Kugeln beschrieben werden, sondern als Wellen­pakete, die sich überlagern und damit verstärken oder aufheben können. Durch die Über­lagerung der Wellen kommen Resonanzen zustande, die das Team untersucht hat.

„Wir fanden unter anderem Feshbach-Resonanzen zwischen Barium-Ionen und Lithium-Atomen, indem wir ihre Wechsel­wirkungs­prozesse mit Hilfe eines Magnetfelds steuerten“, so Schätz. Feshbach-Resonanzen wurden bisher bereits bei der Kollision langsamer Atome demonstriert. Der Forschergruppe gelang das jetzt aber auch in einem völlig neuen Regime einer erheblich stärkeren Wechsel­wirkung, die durch die Ladung des Ions vorherrscht. Neben den Magnet­feldern nutzten die Wissen­schaftler in ihrem Labor Ultra­hoch­vakuum und Käfige aus Licht, um die laser­ge­kühlten Atome und Ionen zu isolieren.

„Grundlagen­forschung zur Quanten­mechanik verlässt nun zunehmend das Labor und nimmt Einzug in Anwendungen“, so Schätz. „Durch das Studieren der Effekte unter ideali­sierten Bedingungen im Labor können wir diese besser verstehen und kontrol­liert breitbandig nutzen – von Neugier getrieben und von der Perspektive der Steuerung und Effizienz­erhöhung chemischer Reaktionen, bis hin zu neuen Wegen für den Ladungsfluss in Festkörpern.“

ALU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  P. Weckesser et al.: Observation of Feshbach resonances between a single ion and ultracold atoms, Nature 600, 429 (2021); DOI: 10.1038/s41586-021-04112-y
• Experimentelle Atom-, Molekül- und optische Physik (T. Schätz), Physikalisches Institut, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg