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Dank den hervorragenden e! Science News bin ich auf ein interessantes Forschungsergebnis gestoßen. Wir waren ja vor kurzem noch bei Elektronenbahnen, und diese ursprüngliche Modellvorstellung von Elektronen als Teilchen, die auf Kreisbahnen um den Atomkern laufen, stammt von Niels Bohr. Es gibt Erweiterungen auf Ellipsenbahnen durch Wilson und Sommerfeld, man kann auch noch semiklassisch ein paar Effekte da reinfudeln. Das ist auch ein gutes Modell, mit dem man sehr lange gut fährt. In Realität macht einem dann aber doch irgendwann der Welle/Teilchen-Dualismus zu schaffen, und quantenmechanisch muss man sich vom Kügelchen verabschieden das kreist und zur Wellenfunktion übergehen, die (quadriert) die Aufenthaltswahrscheinlichkeit angibt.

Man kann sich aber vorstellen, dass das Elektron-Wellenpaket sich so entwickelt, dass es wie ein quasi-lokalisiertes Teilchen um den Atomkern kreist (also die Aufenthaltswahrscheinlichkeit sich in einem steilen Berg sammelt). Forscher der Rice University in Houston berichten nun darüber und haben ihre Ergebnisse in den Physical Review Letters veröffentlicht. Als Bohr-Atom wird hier ein Atom verstanden, bei dem Elektron in solch einem quasi-lokalisierten Zustand kreist, denn es stellt die beste beobachtete Näherung an das klassische Bild dar. Gelingen kann das allerdings nur in einem hoch angeregten Zustand, bei dem der Abstand zwischen benachbarten Elektronenbahnen annähernd gleich ist. Ein Atom, bei dem ein Elektron hoch angeregt ist, also sich z.B. wie in den beschriebenen Experimenten über der 300-ten Bahn befindet, nennt man ein Rydberg-Atom.

Die Forscher beschreiben eine Methode, um das Elektron in einem hoch angeregten Atome zu einem Wellenberg zu sammeln. Nach Abschalten des Pumpfeldes wird sich dann eine Oszillation des Wellenpaketes einstellen, die sich für einige Umläufe wie ein lokalisiertes Teilchen verhält, bevor das Wellenpaket auseinanderfließt. Die Forscher stellten dazu auch einen Film auf YouTube:

Man erkennt zunächst das Sammeln der Wellenfunktion durch das Pumpfeld, und anschließend die Rotation für einige Umläufe. Die dargestellten Ergebnisse stammen aus Simulationen der Methode, die von den Forschern dann in einer experimentellen Studie nachgeprüft wurde. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den simulierten Daten.
Bemerkenswert ist die Größe dieser Atome. Während normale Atome einige 10 hoch -10 m groß sind, erreichen diese Rydberg-Atome einen Durchmesser von fast einem Millimeter!
In weiteren Studien sollen Atome so angeregt werden, in denen sich durch einen Dipol zwischen einem inneren und dem äußeren Elektron sehr lange stabile Zustände ergeben könnten. Bohr-Atome könnten Anwendung im Quantencomputing und in der Analyse von Quantenchaos haben.