Feshbach-Resonanz

Grundidee

Eine Feshbach-Resonanz ist ein Phänomen der physikalischen Streutheorie. Sie ist nach dem amerikanischen Physiker Herman Feshbach benannt. Sie tritt auf, wenn ein gebundener Zustand, also ein Molekülzustand zwischen zwei Atomen, in einem Streupotential energetisch nur wenig oberhalb der Energiesumme der einlaufenden Teilchen liegt.

In diesem Fall können die beiden Atome diesen gebundenen Zustand einnehmen. Dadurch halten sie sich länger im Einflussbereich des Potentials auf und die Änderung ihrer Wellenfunktion wird größer. Die Folge ist, dass sich die Streulänge des Systems ändert. Die Streulänge beschreibt dabei, wie stark und auf welche Weise Teilchen bei niedrigen Energien miteinander streuen.

Künstliche Erzeugung

Feshbach-Resonanzen können gezielt herbeigeführt werden. Bei einer magnetischen Feshbach-Resonanz nutzt man den Zeeman-Effekt. Dieser Effekt verschiebt Energieniveaus durch ein Magnetfeld. So können die Streupotentiale gegeneinander verschoben werden, bis die Resonanzbedingung erfüllt ist.

Bei einer optischen Feshbach-Resonanz koppelt man die Atome mit dem Molekülzustand, indem Laserlicht mit genau dem passenden Energieabstand eingestrahlt wird. Beide Methoden erlauben es, die Streulänge nahezu beliebig zu verändern.

Molekülbildung

Die Molekülzustände werden normalerweise nicht tatsächlich besetzt, weil dabei Energie gewonnen oder verloren würde. Das wäre mit der Energieerhaltung nicht vereinbar. Nur wenn die Energie des Molekülzustands genau mit der Energiesumme der einlaufenden Atome zusammenfällt, können die Atome Moleküle bilden.

Bei einer magnetischen Feshbach-Resonanz lässt sich dieser Fall künstlich einstellen. Man wählt das Magnetfeld so, dass Moleküle entstehen. Danach kann man das Molekülpotential absenken; die Moleküle bleiben dann bestehen.

Ultrakalte Atome

Die wichtigsten Anwendungen der Feshbach-Resonanz liegen wahrscheinlich im Bereich ultrakalter Atome, also bei Temperaturen von 10^{−7} Kelvin und weniger. Solche Systeme sind trotz großer experimenteller Schwierigkeiten wichtige Forschungsobjekte.

Das im Artikel beschriebene Diagramm zeigt Streupotentiale am Beispiel von Li-6. Das rote Potential, ein Triplet-Potential, ist nach unten verschoben, zum Beispiel mithilfe eines Magnetfeldes. Seine Dissoziationsenergie stimmt mit einem gebundenen Zustand im blauen Singulett-Potential überein. Im Bild sind Verschiebung und Bindungsenergien stark übertrieben dargestellt; die Potentiale selbst sind korrekt.

Bosonen und Fermionen

Bei Bosonen führen Feshbach-Resonanzen oft zu starken Verlusten. Wenn beim Durchstimmen der Magnetfelder die Streulänge plötzlich wechselt, können die Atome stärker stoßen. Durch solche Stoßprozesse gehen Atome aus der Falle verloren.

Bei Fermionen ist genau diese veränderbare Wechselwirkung nützlich. Die Feshbach-Resonanz ermöglicht nicht nur eine Wechselwirkung, sondern eine gezielt einstellbare. Mit Fermionen konnte man dadurch erstmals gezielt Moleküle erzeugen. Diese Moleküle bestehen aus Fermionenpaaren und verhalten sich deshalb als Bosonen. Sie konnten in Form eines Bose-Einstein-Kondensates kondensieren, in der Fachliteratur BEC genannt.

BEC-BCS-Übergang

Wenn der Molekülzustand energetisch höher liegt als die Energiesumme der einlaufenden Atome und der Wechselwirkungsoperator im Hamiltonian negativ ist, wirkt die Wechselwirkung anziehend. Eine anziehende Wechselwirkung zwischen Fermionen ist eine Voraussetzung der BCS-Theorie.

So konnte ein BCS-Zustand aus ultrakalten Atomen erzeugt werden. Dieser Zustand gleicht dem Elektronen-Grundzustand eines Supraleiters. Durch die Feshbach-Resonanz erhält man damit einen sogenannten BEC-BCS-Übergang, der laut Artikel gegenwärtig, also 2007, ein sehr aktuelles Forschungsgebiet war.