Österreichische Forscher haben erstmals ein Analogon des berühmten Dreikörperproblems der Himmelsmechanik in der mikroskopischen Welt der Quantenmechanik erzeugt: In ihrem Experiment gelang es den Physikern von der Universität Insbruck, in einem ultrakalten Bose-Einstein-Kondensat Atomverbände aus jeweils drei Cäsium-Atomen zu erzeugen. Dieser in der Fachwelt als Resonanz bezeichnete Zustand wurde bereits vor etwa 30 Jahren von dem russischen Physiker Vitali Efimov vorhergesagt.
In ihrem Experiment kühlten Hanns-Christoph Nägel und seine Kollegen zunächst ein Gas aus Cäsiumatomen auf eine Temperatur von nur zehn Nanokelvin ab ? zehn Milliardstel Kelvin über absolut Null. Dies gelang durch eine Kombination aus optischen und magnetischen Fallen und einem als Verdampfungskühlung bezeichneten Verfahren. Dabei verlassen die energiereichsten Atome das Gas, wobei sich die Temperatur der verbleibenden Wolke erniedrigt.
Da Cäsiumatome einen ganzzahligen Spin aufweisen, ging die Wolke bei der Abkühlung in ein Bose-Einstein-Kondensat über. Alle Atome befanden sich somit in exakt dem gleichen Quantenzustand. Das erlaubte es den Forschern, die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen durch ein Magnetfeld genau kontrollieren zu können. Die Stärke des Feldes legte quasi den Abstand der Atome voneinander fest.
Die Wissenschaftler stellten das Feld dabei so ein, dass sich jeweils zwei Atome des Gases gerade eine bisschen außerhalb der Reichweite der gegenseitigen Wechselwirkungskräfte befanden. Efimov zufolge sollte genau unter diesen Bedingungen die Dreier-Paarung zustande kommen. In dem Experiment konnte dies dann in der Tat auch indirekt bestätigt werden ? die Zahl der Atome des Kondensats, oder besser die Anzahl von dessen kleinsten Einheiten, wurde durch die Entstehung der Dreierverbände nämlich verringert. Dies konnte mittels einer weiteren magnetischen Untersuchung sichtbar gemacht werden.
Nägels Gruppe hat somit erstmals den von Efimov vorhergesagten gebundenen Zustand dreier Teilchen verwirklicht. Forscher in aller Welt hatten sich schon kurz nach der theoretischen Vorhersage auf die Suche danach begeben. Die Efimov-Paarung ist auch gerade deshalb so faszinierend, da sie zustande kommt, obwohl jeweils zwei der Partner der Dreiergruppe miteinander keinen gebundenen Zustand eingehen können.
Nature, Bd 440, S. 315 Stefan Maier
