Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität von Charlottesville im US-Bundesstaat Virginia hat mittels eines raffinierten Tricks ein Elektron wie einen Planeten um seinen Atomkern kreisen lassen. Dieses Ergebnis ist deswegen so bedeutsam, da der Quantenmechanik zu Folge der Aufenthaltsort eines Elektrons “verschmiert” ist, so dass keine Bahnkurven bestimmt werden können. Darüber berichtet das Fachmagazin Physical Review Letters (Band 92 Artikel 133004).
Haruka Maeda und seine Forscherkollegen bestrahlten in ihrem Experiment ein Lithiumatom mit einem Laserstrahl. Auf diese Weise gelang es den Forschern, das äußerste Elektron des Atoms in einen ungewöhnlichen quantenmechanischen Zustand zu versetzen. Dabei überlagerten sich mehrere der so genannten Elektronenorbitale oder Elektronenwolken, in denen das Elektron um den Atomkern schwirren kann. Diese Überlagerung führte zu der Ausbildung eines Wellenpakets mit einem genau definierten Zentrum, welches dann auch in einer festgelegten Bahn wie ein Planet um den Atomkern kreiste.
Damit dies allerdings über einen längeren Zeitraum von etwa einer millionstel Sekunde möglich war, mussten die Forscher das Atom zudem mit Mikrowellen bestrahlen, deren Frequenz mit der Umrundungszeit des Wellenpakets übereinstimmte. Die Wissenschaftler schätzen, dass der von ihnen auf diese Weise hergestellte, in gewisser Weise klassische Quantenzustand für etwa 15 000 Umrundungen aufrecht erhalten werden konnte.
Dass die Überlagerung von quantenmechanischen Wellenfunktionen zur Ausbildung klassischer Wellenpakete führen kann, wurde bereits vor vielen Jahrzehnten für ein besonders einfaches Quantensystem theoretisch vorhergesagt ? den harmonischen Schwinger. Während in diesem Fall das Wellenpaket zeitlich stabil ist, verbreitert es sich allerdings bei komplizierteren System wie einem Atom innerhalb weniger Sekundenbruchteile. Diese Verbreiterung wurde in Maedas Experiment mit Hilfe der Mikrowellenstrahlung hinausgezögert, so dass die klassische Umrundung des Atomkern beobachtet werden konnte.
Stefan Maier
