Premiere: Physiker erschaffen riesiges Bohr-Atom

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In der Schule wird es noch immer gelehrt, doch eigentlich ist das Atommodell von Bohr längst überholt: Elektronen, die um einen Kern kreisen, wie die Erde um die Sonne. Nun haben Physiker genau solch ein System erschaffen - als gigantisch großes Superatom.

Was würden Zuschauer im Zirkus sagen, wenn ein Zauberer einen Hasen mal eben auf zehnfache Größe anwachsen lässt? Wie sehr würden sie erst staunen, wenn sie wüssten, um welchen Faktor Physiker Atome vergrößern können? Einem Wissenschaftlerteam der Rice University in Houston im US-Bundesstaat Texas ist es nämlich gelungen, ein Kalium-Atom auf das etwa 50.000-fache seines normalen Ausmaßes aufzublähen.

Umsetzung des Bohr-Modells: Ein gut lokalisierbares Elektron umkreist den Atomkern
Rice University / Jeff Mestayer

Umsetzung des Bohr-Modells: Ein gut lokalisierbares Elektron umkreist den Atomkern

Mit bloßem Auge hätten Zuschauer freilich wenig im Labor beobachten können: Atome sind normalerweise 0,0000000002 Meter groß. Das von Barry Dunning und seinen Kollegen manipulierte Kalium-Atom war fast 0,00001 Meter groß - dies entspricht 0,01 Millimetern. Rydberg-System heißen diese in Atomdimensionen geradezu monströsen Teilchen.

Das bizarr anmutende Experiment hatte ein ambitioniertes Ziel: Die Wissenschaftler wollten ein Atom erschaffen, dessen Eigenschaften dem Bohrschen Modell entsprechen. Niels Bohr hatte 1913 seine Theorie vorgestellt, nach der Elektronen auf bestimmten Bahnen, auch Schalen genannt, den Kern umkreisen - ähnlich wie die Planeten die Sonne.

Sein knapp hundert Jahre altes Modell ist längst überholt, die Quantenmechanik beschreibt die Vorgänge in der Elektronenhülle wesentlich besser. Elektronen haben demnach keine präzise Position, vielmehr bilden sie ein Wellenpaket. Anschaulich könnte man auch von einer Wolke mit verschieden großen Aufenthaltswahrscheinlichkeiten sprechen.

Bislang nur verschmierte Umlaufbahnen

Doch in Extremfällen kann das Bohr-Modell ein Atom trotzdem gut beschreiben, wie Dunnings Team jetzt gezeigt hat. Die Forscher verpassten einem Elektron zunächst mit einem Laser so viel Energie, dass es auf sehr hohe Bahnen um den Kern gehoben wurde. Von einem "hochangeregten Zustand mit der Quantenzahl n = 300" spricht Joachim Burgdörfer. Der Physiker von der Technischen Universität Wien ist Mitautor der im Fachblatt "Physical Review Letters" veröffentlichten Studie.

Dieses manipulierte Kalium-Atom bildete den Ausgangspunkt. Im nächsten Schritt habe man das Wellenpaket des Elektrons mit einer Sequenz elektrischer Pulse kompakter gemacht. "Das Elektron genügte dann den klassischen Gesetzen", sagt Burgdörfer im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Bei bisher erzeugten Rydberg-Atomen hätte sich das Elektron zwar auf einer sehr weit vom Atomkern entfernten Umlaufbahn befunden. "Seine Verteilung war dann über die ganze Umlaufbahn verschmiert, ähnelte also eher den Ringen um den Saturn", erklärt der Forscher.

Jetzt habe man ein System, das der Sonne und einem Planeten gleiche. "Das Elektron ist zwar nicht punktförmig, aber gut lokalisierbar", betont Burgdörfer. Es handle sich um ein relativ kompaktes Wellenpaket. In einem Punkt unterscheidet sich das künstliche Bohr-Atom aber vom System Sonne-Planet: Statt der Gravitationskraft ist es die elektrostatische Anziehung, welche das Elektron auf der Kreisbahn hält.

Zehnmal habe das Elektron den Kern umkreist, bevor das Wellenpaket wieder zerlaufen sei, berichtet Burgdörfer. Das Bohrsche Atommodell bekam allerdings nur für sehr kurze Zeit eine Entsprechung in der Realität: Eine Periode dauerte nur vier Nanosekunden.

"Es ist eine Kuriosität"

Forscherkollegen zollen dem Experiment von Dunnings Team großen Respekt: "Die Suche nach dem Bohrschen Atom dauert schon viele Jahrzehnte", sagt Robert Löw von der Universität Stuttgart, der selbst Rydberg-Atome erforscht. Bisher sei das Bohr-Modell "nur teilweise" verwirklicht worden. Zum ersten Mal habe man nun einen quasi-klassischen Zustand bei einem sonst typischerweise quantenmechanischen Atom nachgewiesen.

"Es ist eine Kuriosität", meint Joachim Burgdörfer, der mit seinen Forscherkollegen von der TU Wien die theoretischen Grundlagen und damit das Rezept für das Experiment geliefert hat. "Vielleicht gelingt es ja auch bald, mehr als ein Elektron auf eine extrem weit außen liegende Umlaufbahn zu bringen", sagt er. "Solche Riesenatome, die dann wie ein ganzes Planetensystem aussehen würden, wären möglicherweise langlebig und könnten viel Energie auf engstem Raum speichern."

Die Erforschung von Rydberg-Atomen ist weit mehr als eine sentimentale Spielerei um ein betagtes Atommodell. Im Kernspin der Super-Atome könnten Information sehr gut gespeichert werden, weswegen sie auch als wichtiger Baustein kommender Quantencomputer gelten.

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