„Unmögliche“ Dreierbeziehung

Es sind die flüchtigsten und wahrscheinlich merkwürdigsten Moleküle der Welt. Eigentlich sollten sie gar nicht existieren. Der russische Physiker Vitali Efimov sagte sie 1970 voraus, und erst 36 Jahre später gelang es Physikern um Rudolf Grimm und Hanns-Christoph Nägerl von der Universität Innsbruck, sie experimentell nachzuweisen. Die Rede ist von den Efimov-Zuständen.

Konkret geht es um eine Bindung von drei Teilchen, die als Dreikörperproblem der Physik bekannt ist: Drei oder mehr Teilchen verhalten sich nämlich chaotisch, nach den Gesetzen der klassischen Physik. Ihr Zustand lässt sich nicht exakt vorausberechnen. Efimov fand, dass es in den Gesetzen der Quantenmechanik eine überraschend einfache theoretische Lösung gab. Es müsste gebundene Zustände von drei Teilchen geben – und zwar von solchen, die sich paarweise abstoßen würden. Nur zu dritt können sie eine Bindung eingehen. Die Situation erinnert an die instabile Künstlerbeziehung in Woody Allens jüngstem Film „Vicky Cristina Barcelona“, die nur als Dreierbeziehung gemeinsam mit Cristina funktionierte.

Im Jahr 2002 waren Physiker aus Grimms Arbeitsgruppe an der TU Innsbruck weltweit die Ersten, die ein Bose-Einstein-Kondensat mit Cäsiumatomen realisierten: jenen extrem kalten Zustand der Materie, bei dem sich die Atome nicht mehr wie unterschiedliche Teilchen, sondern wie ein einziges verhalten. Schon damals beobachteten sie seltsame Effekte, ohne aber sicher zu sein, worum es sich handelte.

Die Wirklichkeit ist ein wenig anders

Seither haben die Forscher ihre Methoden ausgefeilt und nutzen die besonderen Eigenschaften des sehr kalten Cäsiumgases, um an die von Efimov vorhergesagten Moleküle heranzukommen. Im Jahr 2006 registrierten sie die Efimov-Zustände als deutlichen Verlust an Teilchen im ultrakalten Gas, bei exakt den Bedingungen, welche laut Theorie die Bildung von Efimov-Zuständen begünstigen. Dabei benutzten die Physiker einen Trick: Über ein äußeres Magnetfeld können sie Kräfte zwischen den Teilchen sehr präzise kontrollieren. Nun haben Francesca Ferlaino, Steven Knoop und weitere Physiker aus Grimms Gruppe eine neue Möglichkeit gefunden, Efimov-Zustände zu erzeugen. Sie konnten zeigen, dass sich auch aus einem zweiteiligen Molekül und einem einzelnen Teilchen ein Efimov-Zustand bilden kann. Ihre Daten wichen aber von der theoretischen Vorhersage leicht ab. Das liegt daran, dass Efimov für seine Rechnungen mit einer Näherung arbeitete. Es stellte sich heraus, dass die Wirklichkeit ein klein wenig anders ist – eine Herausforderung an die theoretischen Physiker, die Beobachtungen zu erklären.

Neben ihren wissenschaftlichen Ergebnissen zeigen die Forscher damit vor allem, dass nach wie vor wichtige Entdeckungen in der Welt des Mikrokosmos möglich sind, auch ohne gewaltige Teilchenbeschleuniger. Jedes der Innsbrucker Experimente hat in einem durchschnittlichen Kellerraum Platz.

Efimov machte eine weitere überraschende Vorhersage: Es gibt nicht nur einen möglichen Bindungszustand – wird die Distanz zwischen den Teilchen größer, so treten immer neue Bindungszustände auf, die allerdings noch flüchtiger sind. Das nächste Ziel der Forscher ist es, den nächstschwächeren Bindungszustand aufzuspüren. Dafür müssen sie die Temperatur des Cäsiumgases noch um ein Hundertfaches senken – das wäre einsamer Weltrekord.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 07.03.2009)