Exotischer Zustand: Atome im Atom

Verschluckte Atome: Forscher haben eine ungewöhnliche Verschachtelung von Atomen erzeugt – und einen neuen Zustand der Materie. Bei diesem „schluckt“ die Elektronenhülle eines per Laser aufgeblähten Riesenatoms seine Nachbaratome. Das Ungewöhnliche dabei: Obwohl die mehr als 100 Fremdatome elektrisch neutral sind, gehen sie eine schwache Bindung mit dem Riesenatom ein. Diesen neuartigen Zustand, sogenannte Rydberg-Polaronen, haben die Forscher nun erstmals nachgewiesen.

Auch wenn uns ein Tisch oder ein Kaffeebecher fest und massiv erscheinen: Die Atome in diesen Objekten bestehen zum großen Teil aus leerem Raum. Denn der kompakte Atomkern ist von einer großen Hülle umgeben, in der die Elektronen auf bestimmten Bahnen kreisen. Die Größe der Atomhülle und damit auch des gesamten Atoms ist normalerweise für jedes Element spezifisch.

Riesenatome im Kondensat

Doch es gibt Ausnahmen. Schon vor längerer Zeit haben Forscher entdeckt, dass man durch gezielte Energiezufuhr mit einem Laser eine Art „Riesenatom“ erzeugen kann. Ein Elektron dieses Atoms wird dabei auf eine so weit außenliegende Bahn gezwungen, dass sich die Atomhülle auf gigantische Maße aufbläht. Es entsteht ein sogenanntes Rydberg-Atom. „Der mittlere Abstand eines solchen Elektrons zu seinem Atomkern kann hunderte Nanometer betragen – das ist mehr als das Tausendfache vom Radius eines Wasserstoffatoms“, erklärt Koautor Joachim Burgdörfer von der Technischen Universität Wien.

Jetzt haben die Forscher ein solches Atom genutzt, um einen besonders exotischen Materiezustand zu erzeugen. Dafür kühlten sie eine Wolke von Strontiumatomen so weit ab, dass diese ein Bose-Einstein-Kondensat bildeten. In diesem Zustand verlieren die Atome Eigenständigkeit und schwingen gewissermaßen im Gleichtakt. Eines dieser Atome machten die Wissenschaftler dann durch Laserbestrahlung zum Rydberg-Atom.

Mehrere Atome in einer Hülle

Die Folge ist ein außergewöhnliches Phänomen: Das Elektron des Rydberg-Atoms umkreist nun nicht mehr nur seinen eigenen Kern. Stattdessen hat die Hülle des Riesenatoms gleich mehrere Nachbaratome geschluckt. Je nach Radius des Rydberg-Atoms und Dichte des Bose-Einstein-Kondensats kann die Hülle bis zu 160 weitere Strontium-Atome enthalten, wie die Forscher im Experiment beobachteten.

Möglich wird dies, weil die „normalen“ Strontiumatome sehr viel kleiner sind als das vom Laser aufgeblasene Rydberg-Atom. Sie passen deshalb mitsamt ihrer Hülle in den Orbit des Außenelektrons. Weil diese Strontiumatome elektrisch neutral sind, werden sie dabei auch nicht von der Ladung des Elektrons abgestoßen.

Exotische Bindungsform

Das Spannende aber: Ganz ohne Wechselwirkung bleibt diese Ineinanderschachtelung von Atomen nicht. Es bildet sich eine Art schwacher Bindungszustand zwischen den „verschluckten“ Atomen und dem sie umgebenden Rydberg-Atom. Diese Bindung ist allerdings viel schwächer als etwa die Bindung zwischen den Atomen in einem Kristall, wie die Forscher erklären. Deshalb sei dieser Zustand nur bei ultrakalten Temperaturen nachweisbar.

„Es ist eine sehr ungewöhnliche Situation“, sagt Shuhei Yoshida von der TU Wien. „Normalerweise hat man es in der Atomphysik mit geladenen Atomkernen zu tun, die Elektronen an sich binden. Hier haben wir ein Elektron, das neutrale Atome bindet.“ Diesen neuen, exotischen Materiezustand – „Rydberg-Polaronen“ bezeichnet – haben er und seine Kollegen nun erstmals nachgewiesen. Wie sie feststellten, wird durch die schwache die Energie des Gesamtsystems ein winziges Bisschen verringert.

„Für uns ist dieser neue, schwach gebundene Materiezustand eine spannende Möglichkeit, die Physik ultrakalter Atome besser zu verstehen“, sagt Burgdörfer. (Physical Review Letters, 2018; doi: 10.1103/PhysRevLett.120.083401)

(Technische Universität Wien, 27.02.2018 – NPO)