Gruppendynamik bei Atomen enthüllt

Eine Gruppe gleicher Atome verhält sich bei Einstrahlung von Licht anders als ein Einzelatom. Gemeinsam leuchten die Atome in längerwelligerem Licht als das ein einzelnes Atom tun würde. Dieser Effekt – kollektive Lamb-Verschiebung genannt – konnte jetzt erstmals von Forschern nachgewiesen werden. Sie belegten damit ein Phänomen, der vor mehr als 35 Jahren theoretisch vorhergesagt wurde.

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Die Wissenschaftler um Ralf Röhlsberger vom Forschungszentrum DESY, vom ESRF in Grenoble und der Universität Leuven berichten über die Ergebnisse ihres Experiments in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Science“.

Lamb-Verschiebung

Die Lamb-Verschiebung – oder Lamb-Shift – ist eine kleine Änderung der Schwingungsfrequenz von Elektronen im Atom. Sie wird sichtbar, wenn man Atome mit Licht zum Leuchten anregt. Die Frequenzverschiebung entsteht dadurch, dass das angeregte Atom sein Licht erst einige Male abstrahlt und wieder selbst absorbiert bevor es in seinen Grundzustand zurückkehrt. Die Entdeckung der Lamb-Verschiebung im Wasserstoff gab 1947 den Anstoß zur Entwicklung der Quantenelektrodynamik (QED) als einheitlicher Theorie der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Für seine Entdeckung erhielt der Physiker Willis Lamb 1955 den Nobelpreis.

Wird nun ein Ensemble von vielen identischen Atomen zum Leuchten angeregt, so ist es möglich, dass das emittierte Licht eines Atoms nicht nur von sich selbst sondern auch von einem anderen Atom innerhalb der Gruppe absorbiert und wieder abgestrahlt werden kann. So ist das Licht, das von diesen Atomen ausgesendet wird, energieärmer und somit deutlich ins Rote verschoben im Vergleich zur Abstrahlung eines einzelnen Atoms.

Neue Messmethode entwickelt

Für ihre Experimente entwickelten die Wissenschaftler um Röhlsberger nun eine neue Messmethode: Sie platzierten ein Ensemble von Eisen-57-Atomen zwischen zwei nur wenige Nanometer voneinander entfernte Platinspiegel und bestrahlten die Anordnung mit Röntgenstrahlung. Auf diese Weise konnten sie tatsächlich die vorhergesagte kollektive Frequenzverschiebung messen, obwohl man lange Zeit glaubte, dass die Atome dafür nicht weiter als eine Lichtwellenlänge voneinander entfernt sein dürften.

Die Forschergruppe machte sich zunutze, dass die Strahlung der Eisen-57-Atome zwischen den Platinspiegeln enorm verstärkt wird, so dass die kollektive Lamb-Verschiebung deutlich sichtbar wird. Mit Hilfe der Mößbauerspektroskopie konnte die Verschiebung sehr genau bestimmt werden. Die gemessenen Werte stehen in perfekter Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen, so die Forscher.

Atomares Ensemble

Die Experimentiermethode eröffnet nach ihren Angaben außerdem neue Möglichkeiten, kollektive Effekte bei der Wechselwirkung von Licht und Materie zu studieren. So wiesen die Wissenschaftler nach, dass das Licht des untersuchten atomaren Ensembles fast 100-mal schneller emittiert wurde als von einem einzelnen Atom – dieser Effekt wird Superradianz genannt.

Die Superradianz ermöglicht einen sehr effizienten Übertrag von Lichtenergie in Materie und kann beispielsweise bei der Entwicklung neuartiger Bauelemente zur Nutzung der Sonnenenergie oder der Entwicklung von ultraschnellen Prozessoren für die optische Datenverarbeitung eine wichtige Rolle spielen.

(idw – Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, 14.05.2010 – DLO)