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News: Ein Atom ohne Kern

Die Bewegung eines Elektrons in einem homogenen Magnetfeld zu berechnen, ist eine Standardaufgabe im Physikstudium. Für die Experimentatoren ist es dagegen eine große Herausforderung, die Bahn und den Zustand des Teilchens zu verfolgen Bislang konnten die Forscher nur einzelne Elektronen in ihrem Grundzustand und ersten angeregten Zustand untersuchen, ohne es während der Messung zu stören. Jetzt haben Wissenschaftler ein im Magnetfeld eingeschlossenes Elektron dazu bringen können, vier verschiedene angeregte Zustände einzunehmen. Dieses 'Quantenzyklotron' bietet als eine Art künstlichen Atoms die Möglichkeit, grundlegende Folgerungen aus der Quantenmechanik zu studieren.
Das künstliche Atom, das Gerald Gabrielse und seine Kollegen von der Harvard University untersucht haben, besteht aus einem einzelnen Elektron in einer sogenannten Penning-Falle (Schemazeichnung), in der geladene Teilchen mit einer speziellen Anordnung von statischen magnetischen und elektrischen Feldern festgehalten werden können. Anschließend setzten sie die Falle einem zusätzlichen Magnetfeld aus, das zwei verschiedenen Bewegungs des Elektrons verursacht: Es kreist senkrecht zum Magnetfeld, wobei seine Bahn in Richtung der Rotationsachse wandert (Physical Review Letters vom 16. August 1999).

In einem homogenen Magnetfeld kann das Elektron nur ganz bestimmte Zustände einnehmen, deren energetischer Abstand zueinander gleich ist. Diese sogenannten Landau-Niveaus ähneln den Energieniveaus eines wirklichen Atoms und bieten die Möglichkeit, elementare Schlußfolgerungen aus der Quantenmechanik experimentell zu überprüfen. Das kreisende Elektron stellt dabei eine Miniaturausgabe üblicher Zyklotrone dar, in denen eine große Zahl geladener Teilchen in einem Magnetfeld kreisförmig beschleunigt werden.. Damit ist dem Harvard-Team gewissermaßen die Realisierung des ersten Quanten-Zyklotrons gelungen.

Um das Elektron zunächst in seinen niedrigsten Zustand zu bringen, mußten die Physiker die Penning-Falle auf wenige Grad über dem absoluten Temperatur-Nullpunkt abkühlen. Selbst bei zwei Kelvin (-271 Grad Celsius) kann das Elektron immer noch genug Wärmeenergie von der Umgebung absorbieren, um auf höhere Energie-Niveaus zu springen. Bei einer Temperatur von nur noch 80 Millikelvin bleibt das Elektron stundenlang in seinem niedrigsten Zustand. Gabrielse und sein Kollegen konnten dann das Teilchen vollständig kontrollieren und mit Mikrowellen gezielt in höhere Zustände versetzen.

Eine weitere Schwierigkeit des Experiments bestand darin, den Quantenzustand des Elektrons zu messen, ohne ihn zu stören – entgegen den üblichen quantenmechanischen Vorstellungen, nach denen eine Messung immer auch eine Störung des Zustandes bedeutet. Die Experimentatoren umgingen das Problem, indem sie ein langsam oszillierendes elektrisches Feld parallel zum Magnetfeld anlegten. Dieses elektrische Feld bewirkt eine Schwingung des Elektrons in axialer Richtung – eine Bewegung, die das Team anhand eines induzierten Strom in einem nahen resonanten Stromkreis nachweisen konnten. Auf diese Weise gleang ihnen die störungsfreie Beobachtung der Energieniveaus. Dabei ergaben sich stufenartige Änderungen der Niveaus, falls ein Photon absorbiert oder emittiert wurde. Außerdem konnten die Wissenschaftler sogar die Temperatur des Elektrons dadurch messen, daß sie die Anzahl der Übergänge in angeregte Zustände zählten. Je häufiger diese vorkommen, umso "wärmer" muß das Elektron sein.

Gabrielse und seine Arbeitsgruppe arbeiten nun daran, das magnetische Moment des Elektrons mit ihrer neuen Versuchsanlage zu messen. Daniel Kleppner vom Massachusetts Institute of Technology hält das Experiment besonders im Hinblick auf die klare Demonstration grundlegender Quantenmechanik für bedeutungsvoll und betont, daß "neue Methoden üblicherweise auch zu einer Menge neuer wisenschaftler Erkenntnisse führen."

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