Illustration von Atomen, die durch einen Lichtstrahl klebrig gemacht werden. (Harald Ritsch/TU Wien) Physiker haben gerade Licht entdeckt, das als „Klebstoff“ zwischen Atomen fungiert, in einer Art locker gebundenem Molekül.
„Es ist uns erstmals gelungen, mehrere Atome kontrolliert gemeinsam zu polarisieren und so eine messbare Anziehungskraft zwischen ihnen zu erzeugen.“ sagt University of Innsbruck physicist Matthias Sonnleitner.
Atome verbinden sich auf unterschiedliche Weise zu Molekülen, wobei alle Ladungen als eine Art „Sekundenkleber“ ausgetauscht werden müssen.
Einige geben ihre negativ geladenen Elektronen weiter und bilden relativ starke Bindungen, wie die einfachsten Gase zweier verbundener Sauerstoffatome, die wir ständig einatmen Komplexe Kohlenwasserstoffe, die im Weltraum schweben . Manche Atome ziehen sich aufgrund unterschiedlicher Gesamtladungen an.
Elektromagnetische Felder können die Ladungsanordnung um das Atom herum verändern. Da es sich bei Licht um ein sich schnell veränderndes elektromagnetisches Feld handelt, kann ein Schauer entsprechend gerichteter Photonen Elektronen in Positionen bewegen, an denen sie sich theoretisch verbinden könnten.
„Wenn man nun ein externes elektrisches Feld einschaltet, verschiebt sich diese Ladungsverteilung ein wenig.“ erklärt Physiker Philipp Haslinger von der Technischen Universität Wien (TU Wien).
„Die positive Ladung verschiebt sich leicht in die eine Richtung, die negative Ladung leicht in die andere Richtung, das Atom hat plötzlich eine positive und eine negative Seite, es ist polarisiert.“
Haslinger, TU Wien-Atomphysikerin Mira Maiwöger und Kollegen zeigten anhand ultrakalter Rubidiumatome, dass Licht Atome tatsächlich auf die gleiche Weise polarisieren kann, was wiederum dazu führt, dass ansonsten neutrale Atome etwas klebrig werden.
„Das ist eine sehr schwache Anziehungskraft, daher muss man das Experiment sehr sorgfältig durchführen, um sie messen zu können.“ sagt Maiwöger.
„Wenn Atome viel Energie haben und sich schnell bewegen, ist die Anziehungskraft sofort weg.“ Deshalb wurde eine Wolke aus ultrakalten Atomen verwendet.“
Mithilfe eines Magnetfelds fing das Team eine Wolke aus rund 5.000 Atomen in einer einzigen Ebene unter einem goldbeschichteten Chip ein.
Hier kühlten sie die Atome auf nahe Temperaturen ab Absoluter Nullpunkt (–273 °C oder –460 °F) und bildet ein Quasikondensat – so beginnen die Rubidiumpartikel kollektiv zu wirken und ähnliche Eigenschaften zu teilen Sie sind im fünften Zustand der Materie, aber nicht ganz im gleichen Ausmaß.
Mit einem Laser getroffen, erfuhren die Atome verschiedene Kräfte. Beispielsweise kann der Strahlungsdruck einfallender Photonen sie entlang des Lichtstrahls schieben. Unterdessen können Reaktionen in den Elektronen das Atom zurück zum intensivsten Teil des Strahls ziehen.
Um die subtile Anziehung zu erkennen, die vermutlich zwischen den Atomen in diesem Strom des Elektromagnetismus entsteht, mussten die Forscher einige sorgfältige Berechnungen durchführen.
Als sie das Magnetfeld abschalteten, fielen die Atome etwa 44 Millisekunden lang frei, bevor sie das Laserlichtfeld erreichten, wo sie auch abgebildet wurden Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopie .
Während des Herbstes dehnte sich die Wolke auf natürliche Weise aus, sodass die Forscher Messungen bei unterschiedlichen Dichten durchführen konnten.
Bei hohen Dichten stellten Maiwöger und Kollegen fest, dass in den von ihnen aufgenommenen Beobachtungsbildern bis zu 18 Prozent der Atome fehlten. Sie glauben, dass diese Abwesenheiten durch lichtunterstützte Kollisionen verursacht wurden, die die Rubidiumatome aus ihrer Wolke herausschleuderten.
Dies zeigte einen Teil dessen, was geschah: Es war nicht nur das einfallende Licht, das die Atome beeinflusste, sondern auch die Lichtstreuung an den anderen Atomen. Als das Licht die Atome berührte, gab es ihnen eine Polarität .
Es hängt davon ab welche Art von Licht verwendet wurde , wurden die Atome durch größere Lichtintensität entweder angezogen oder abgestoßen. Sie wurden also entweder in den Bereich niedrigeren oder höheren Lichts gezogen – in jedem Fall sammelten sie sich schließlich an.
„Ein wesentlicher Unterschied zwischen gewöhnlichen Strahlungskräften und der [durch Licht ausgelösten] Wechselwirkung besteht darin, dass es sich bei letzterer um eine wirksame Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung handelt, die durch Streulicht vermittelt wird“, so Maiwöger und Kollegen schreiben Sie in ihre Arbeit .
„Es fängt Atome nicht an einer festen Position (zum Beispiel im Fokus eines Laserstrahls) ein, sondern zieht sie in Richtung Bereiche maximaler Teilchendichte.“
Obwohl diese Kraft, die die Atome zusammenzieht, viel schwächer ist als die uns bekannten molekularen Kräfte, kann sie sich im großen Maßstab summieren. Dies kann Emissionsmuster verschieben und Resonanzlinien – Funktionen, die Astronomen nutzen, um unsere zu informieren Verständnis für Himmelsobjekte .
Es könnte auch helfen zu erklären, wie Moleküle im Weltraum entstehen.
„In den Weiten des Weltraums können kleine Kräfte eine bedeutende Rolle spielen“ sagt Haslinger.
„Hier konnten wir erstmals zeigen, dass elektromagnetische Strahlung eine Kraft zwischen Atomen erzeugen kann, die möglicherweise dazu beiträgt, neues Licht auf bisher ungeklärte astrophysikalische Szenarien zu werfen.“
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Körperliche Untersuchung X .