Dankzij nieuwe technologie, het is mogelijk om individuele atomen te behouden, ze gericht verplaatsen of hun toestand veranderen. Ook natuurkundigen uit Kaiserslautern werken met dit systeem. In een recente studie, ze onderzochten de gevolgen van de botsing van twee atomen in een zwak magnetisch veld bij lage temperatuur. Voor het eerst hebben ze ontdekt dat atomen, dragen hun impulsmoment in individuele pakketten (quanta), daarbij twee pakketten uitwisselen. Ook werd aangetoond dat de interactiesterkte tussen de atomen kan worden gecontroleerd. Dit is van belang voor het onderzoeken van chemische reacties, bijvoorbeeld. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Tot enkele decennia geleden was het voor natuurkundigen ondenkbaar om experimenten uit te voeren met individuele atoomdeeltjes. Erwin Schrödinger, een van de pioniers van de moderne kwantumtheorie, verwachtte "belachelijke gevolgen" van dit idee en beschreef het als even waarschijnlijk als het grootbrengen van een Ichtyosaurus-dinosaurus in een dierentuin. Echter, de vooruitgang in lasertechnologie en atoomfysica maakt vandaag experimenten met individuele atomen mogelijk.

Ook natuurkundigen rond professor Artur Widera en zijn promovendus Felix Schmidt van de Technische Universität Kaiserslautern (TUK) werken aan dit onderwerp in de onderzoeksgroep Individual Quantum Systems. Ze vertrouwen op een zogenaamd Bose-Einstein-condensaat dat bestaat uit rubidium-atomen. "In de natuurkunde dit verwijst naar een toestand van materie die vergelijkbaar is met vloeibare en gasvormige toestanden. Echter, zo'n condensaat is een perfecte kwantummechanische toestand die zich gedraagt ​​als een golf, " zegt professor Widera. Het condensaat is vergelijkbaar met een gas dat uit heel weinig atomen bestaat.

In een recente studie, samen met professor Eberhard Tiemann van de Gottfried Wilhelm Leibniz Universiteit van Hannover, ze onderzochten de effecten van een enkel cesiumatoom dat een rubidiumatoom raakt. Om de deeltjes te observeren, de onderzoekers moeten ze eerst afkoelen tot temperaturen net boven het absolute nulpunt. "Vervolgens gebruikten we een optische pincet om de atomen met elkaar in contact te brengen, ", zegt Felix Schmidt. Tijdens dit proces, atomen worden vastgehouden met behulp van laserstralen. De onderzoekers hebben nu een enkel cesiumatoom aan het rubidiumgas toegevoegd om te meten wat er gebeurt voor en na de botsing van de atomen.

De natuurkundigen observeerden hoe de deeltjes hun impulsmoment veranderen tijdens de impact door de toestand van het individuele cesiumatoom voor en na de botsing te meten. in atomen, het impulsmoment van de deeltjes is tot op zekere hoogte aanwezig in individuele pakketjes – de zogenaamde elementaire quanta. De onderzoekers hebben nu waargenomen dat atomen in één klap twee van dergelijke impulsmomentquanta tegelijkertijd kunnen uitwisselen. Tot dusver, alleen de uitwisseling van een enkel pakket (quants) is waargenomen. "Dit is alleen mogelijk omdat we het experiment in een laag magnetisch veld hebben uitgevoerd, " zegt Schmidt. Dus, de energie van de atomen is zo laag dat vooral de interactie tussen de afzonderlijke elementen het resultaat van de inslag bepaalt. "Dit maakt het mogelijk om twee zogenaamde elementaire quanta tegelijkertijd te verzenden, bijvoorbeeld om het impulsmoment twee keer te veranderen, ’ vervolgt de natuurkundige.

Maar de wetenschappers zagen ook een ander effect. "Het zwakke magnetische veld en de lage kinetische energie zorgen ervoor dat de atomen met elkaar interageren, duizend keer groter dan de atomen zelf, zelfs op afstand, " Schmidt gaat verder. Door de sterkte van het magnetische veld te veranderen, dit effect kan ook worden gecontroleerd. Het effect is direct gerelateerd aan een zeer grote en zeer zwak gebonden moleculaire toestand tussen de twee deeltjes. "We waren in staat om indirect een enorm molecuul van ongeveer twee micrometer groot te observeren, ' zei Schmidt.

Deze kennis van interactie tussen deeltjes bij zeer lage energieën kan, bijvoorbeeld, helpen bij het onderzoeken van bindingen in moleculen. Ze bestaan ​​uit ten minste twee atomen die door interacties met elkaar zijn verbonden. Dit zou in staat stellen, onder andere, de bereiding en het onderzoek van zeer grote moleculen.