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Potassium-Atom in der Mitte weist die Lithium-Atome (gelb) ab. Dabei entsteht ein komplexer Zustand, der sich wie ein Quasiteilchen verhält

Neues Teilchen: "Polaron"

Der physikalische Teilchenzoo hat ein neues Mitglied, wenn auch nur ein außerordentliches: Innsbrucker Forscher haben ein exotisches Quasiteilchen hergestellt. Offizieller Name: "repulsives Polaron".

Experiment 24.05.2012

Quasiteilchen sind keine eigenständigen Elementarteilchen, sondern vielmehr Zustände oder Eigenschaften von Teilchen, die mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung treten. Der Begriff wurde vom russischen Physiker Lew Landau (1908-1968) geprägt, der ursprünglich von Elektronen ausging, die sich durch einen Festkörper bewegen und diesen dabei verzerren.

Das ganze Objekt, also Elektron und Verzerrung, kann dabei als Quasiteilchen beschrieben werden. Ein anderes Beispiel für ein Quasiteilchen ist ein "Loch" - jene Lücke in einem Halbleiter, die entsteht, wenn ein Elektron seinen angestammten Platz verlassen hat. Das "Loch" verhält sich dann wie ein positiv geladenes Teilchen.

Lithium und eine Prise Kalium

Rudolf Grimm und sein Team vom Innsbrucker Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) haben nun Experimente mit einem ultrakalten Quantengas durchgeführt. Das Gas bestand aus Lithium plus einigen zusätzlichen Kalium-Atomen. Grimm und Co. kühlten diese Mixtur in einer Vakuumkammer auf eine Temperatur von nur einem Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) ab, wodurch die Quanteneigenschaften der Materie zutage traten.

Mit Hilfe externer Magnetfelder kontrollierten die Physiker die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen kontrollieren. Das heißt konkret: Sie konnten einstellen, ob die einzelnen Kalium-Atome die sie umgebenden Lithium-Atome anziehen oder abstoßen. Im ersten Fall entstand ein "attraktives Polaron" genanntes Quasiteilchen, im zweiten Fall ein "repulsives Polaron". Während "attraktive Polaronen" schon ausführlich untersucht wurden, betraten die Tiroler Physiker mit den abstoßenden Quasiteilchen wissenschaftliches Neuland.

In Festkörpern zerfallen solche Quasiteilchen sehr rasch und können deshalb nicht untersucht werden. Aber auch in Quantengasen machen die abstoßenden Eigenschaften Schwierigkeiten. Entscheidend für Untersuchungen ist die Lebensdauer der Quasiteilchen. "Zu unserer Überraschung hatten unsere Polaronen gegenüber früheren Experimenten in ähnlichen Systemen eine Zehnfach höhere Lebensdauer", sagt Grimm. Auch wenn diese Dauer in dem für die Physiker interessanten Bereich typischerweise nur bei einer Millisekunde liegt, reicht das laut Grimm "für viele Beobachtungen sehr gut aus".

Die Physiker haben damit eine ideale Plattform, um solche Zustände eingehender zu analysieren. Dies könnte auch ein besseres Verständnis von Systemen ermöglichen, wo ebenfalls Quasiteilchen eine wichtige Rolle spielen, etwa in der Hochtemperatursupraleitung, meint Grimm.

science.ORF.at/APA

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