Wenn Atome Photonen eines Laserstrahls absorbieren, können sie trotz ihrer winzigen Größe feststellen, dass sie mit einem Strahl endlicher Breite und nicht mit einer ebenen Welle interagieren. Das sagt ein theoretischer Physiker der Pennsylvania State University voraus. Der Effekt macht sich allerdings nur bei tiefen Temperaturen in der Umgebung des absoluten Nullpunkts bemerkbar, wenn die Wellenfunktion, die jedem Atom zugeordnet ist, aufgrund der geringen Wärmeenergie des Atoms stark verbreitert ist. Die Entdeckung könnte die Herstellung noch genauerer Atomuhren erschweren.
Der von Kurt Gibble vorausgesagte Effekt kann mit einfachen Mitteln der Quantenmechanik veranschaulicht werden: Wenn die Energie der Zitterbewegungen eines Atoms durch ein Absenken der Temperatur verringert wird, so vergrößert sich die Wellenlänge von dessen Wellenfunktion. Diese so genannte de-Broglie-Welle stellt das Herzstück des Dualismus zwischen Welle und Teilchen in der Quantenmechanik dar.
In der Umgebung des absoluten Nullpunkts der Temperaturskala ist der Impuls eines Atoms nun so klein, dass seine de-Broglie-Wellenlänge bis zu einem Zentimeter groß sein kann. Das Atom ist gewissermaßen über einen weiten Raumbereich verschmiert, dessen Ausdehnung von der Heisenbergschen Unschärferelation bestimmt ist.
Gibble zufolge kann daher ein kaltes Atom die Verringerung der Intensität eines Laserstrahls in dessen Randbereichen spüren, selbst wenn es im Zentrum des Strahls sitzt. Dies führt zu winzigen Veränderungen des bei der Absorption oder Emission eines Photons von dem Atom erfahrenen Rückstoßes.
Der Effekt ist allerdings winzig klein und kann selbst in den derzeit besten Atomuhren nicht wahrgenommen werden. Gibbles Studie sagt allerdings voraus, dass eine neue Generation von Atomuhren mit einer um einen Faktor 10 erhöhten Genauigkeit unter diesem Phänomen leiden könnte.
Physical Review Letters (Band 97 Artikel 073002) Stefan Maier
