Tack vare ny teknik, det är möjligt att behålla enskilda atomer, flytta dem på ett målinriktat sätt eller ändra deras tillstånd. Kaiserslautern fysiker arbetar också med detta system. I en nyligen genomförd studie, de undersökte konsekvenserna av kollisionen mellan två atomer i ett svagt magnetfält vid låg temperatur. För första gången har de upptäckt att atomer, bär deras vinkelmoment i enskilda paket (kvanta), utbyter därigenom två paket. Det visades också att interaktionsstyrkan mellan atomerna kan kontrolleras. Detta är av intresse för att undersöka kemiska reaktioner, till exempel. Tidningen publicerades i tidningen Fysiska granskningsbrev .

Fram till för några decennier sedan var det otänkbart för fysiker att utföra experiment med enskilda atompartiklar. Erwin Schrödinger, en av pionjärerna inom modern kvantteori, förväntade sig "löjliga konsekvenser" av denna idé och beskrev den som lika sannolikt som att uppfostra en Ichtyosaurus -dinosaurie i ett zoo. Dock, framsteg inom laserteknik och atomfysik idag gör experiment med individuella atomer möjliga.

Fysiker runt professor Artur Widera och hans doktorand Felix Schmidt vid Technische Universität Kaiserslautern (TUK) arbetar också med detta ämne i forskargruppen Individual Quantum Systems. De förlitar sig på ett så kallat Bose-Einstein-kondensat bestående av rubidiumatomer. "Inom fysiken, detta hänvisar till ett tillstånd av materia som är jämförbart med flytande och gasformiga tillstånd. Dock, ett sådant kondensat är ett perfekt kvantmekaniskt tillstånd som beter sig som en våg, "säger professor Widera. Kondensatet är jämförbart med en gas bestående av mycket få atomer.

I en nyligen genomförd studie, tillsammans med professor Eberhard Tiemann vid Gottfried Wilhelm Leibniz universitet i Hannover, de undersökte effekterna av en enda cesiumatom som träffade en rubidiumatom. För att observera partiklarna, forskarna måste först kyla dem till temperaturer strax över absolut noll. "Vi använde sedan en optisk pincett för att få atomerna i kontakt med varandra, "säger Felix Schmidt. Under denna process har atomer behålls med laserstrålar. Forskarna har nu lagt till en enda cesiumatom till rubidiumgasen för att mäta vad som händer före och efter kollisionen mellan atomerna.

Fysikerna observerade hur partiklarna ändrar sin rörelsemängd under nedslaget genom att mäta tillståndet för den enskilda cesiumatomen före och efter kollisionen. I atomer, partiklarnas vinkelmoment finns i viss utsträckning i enskilda förpackningar-så kallade elementära kvanter. Forskarna har nu observerat att atomer kan byta ut två sådana rörelsemängdskvanter samtidigt i ett enda slag. Än så länge, endast utbyte av ett enda paket (kvantiteter) har observerats. "Detta är bara möjligt eftersom vi utförde experimentet i ett lågt magnetfält, "säger Schmidt. Således, atomernas energi är så låg att särskilt interaktionen mellan de enskilda elementen avgör resultatet av påverkan. "Detta gör det möjligt för två så kallade elementära kvanter att överföras samtidigt, till exempel för att vinkelmomentet ska ändras två gånger, "fortsätter fysikern.

Men forskarna observerade också en annan effekt. "Det svaga magnetfältet och den låga kinetiska energin resulterar i att atomerna interagerar med varandra tusen gånger större än atomerna själva, även på avstånd, "Schmidt fortsätter. Genom att ändra magnetfältets styrka, denna effekt kan också kontrolleras. Effekten är direkt relaterad till ett mycket stort och mycket svagt bundet molekylärt tillstånd mellan de två partiklarna. "Vi kunde indirekt observera en enorm molekyl på ungefär två mikrometer i storlek, sa Schmidt.

Denna kunskap om interaktion mellan partiklar vid mycket låga energier kan, till exempel, hjälp att undersöka bindningar i molekyler. De består av minst två atomer som är sammankopplade genom interaktioner. Detta skulle möjliggöra, bland annat, framställning och undersökning av mycket stora molekyler.