von DIRK EIDEMÜLLER
Normalerweise tummeln sich Elektronen so nahe wie möglich am Atomkern. Nach den Gesetzen der Quantenphysik besetzen sie dabei sukzessiv die verschiedenen Schalen oder Orbitale mit zunehmendem Abstand zum Kern. Doch wenn man ein Elektron anregt, etwa mit einem Lichtstrahl oder Laserpuls, dann hüpft es im sprichwörtlichen Quantensprung auf eine höhere, unbesetzte Schale. Dort verweilt es aber nur sehr kurz und fällt in Sekundenbruchteilen wieder zurück, sodass das Atom wieder seine energieärmste Elektronenkonfiguration einnimmt, bei der alle Elektronen nahe am Atomkern sind.
Es gibt aber auch spezielle, hochangeregte Zustände. „Diese sogenannten Rydberg-Zustände sind für die Quantenphysik sehr interessant. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Elektronen besonders viel Energie aufnehmen – nur knapp unterhalb der Ionisationsenergie, bei der sie vom Atom losgerissen würden“, sagt Florian Meinert, Gruppenleiter am Institut für Physik der Universität Stuttgart. Wegen ihrer großen Energie haben solche Elektronen eine besonders hohe „Flugbahn“: Ihr Orbital – mit dem die mittlere Aufenthaltswahrscheinlichkeit rund um den Atomkern beschrieben wird – kann den Durchmesser eines normalen Atoms um Größenordnungen überschreiten.
„Die Rydberg-Zustände sind im Vergleich zu den niedrigeren atomaren Anregungen ziemlich langlebig, da das Elektron sich im Mittel weit vom Kern entfernt aufhält und somit weniger schnell in den elektronischen Grundzustand zurückfällt“, sagt Meinert. Zudem bildet ein solches Rydberg-Atom eine atomare „Antenne“: Da das Elektron weit vom Kern seine Runden dreht, entsteht zwischen Elektron und Kern ein ausgedehntes elektromagnetisches Feld, das empfindlich auf äußere Einflüsse wie Radio- oder Mikrowellen reagiert. So eröffnen sich technische Anwendungsmöglichkeiten, etwa indem man die Sensitivität der Rydberg-Atome nutzt, um Wechselwirkungen zwischen atomaren Quantenbits zu induzieren. Das macht sie zu Kandidaten für Quantenbits in einem optischen Quantencomputer, der mit neutralen Atomen arbeitet.
„Ein solcher Quantencomputer sollte im Prinzip robuster gegenüber Störungen sein als viele andere derzeit genutzte Technologien“, meint Meinert. Denn Atome eines Elements sind alle gleich – im Gegensatz zu supraleitenden Schaltkreisen kennen sie keine Fabrikationsfehler. Doch die kurze Lebensdauer von Rydberg-Atomen erschwert ihre Nutzung als Quantenbits. „Hochangeregte Rydberg-Zustände sind zwar deutlich langlebiger als niedrig angeregte elektronische Zustände, dennoch bestehen sie lediglich einige Dutzend Mikrosekunden“, sagt der Physiker.
Elektronen auf hohen Bahnen
Es gibt jedoch ganz besondere Rydberg-Zustände, die nochmals eine um Größenordnungen erhöhte Lebensdauer besitzen. „Bei diesen zirkularen Rydberg-Zuständen sind die Elektronen nicht nur hochangeregt, sondern besitzen darüber hinaus auch einen sehr hohen Drehimpuls“, erläutert Meinert.
