Grazie alla nuova tecnologia, è possibile trattenere singoli atomi, spostarli in modo mirato o modificarne la condizione. Anche i fisici di Kaiserslautern lavorano con questo sistema. In un recente studio, hanno studiato le conseguenze della collisione di due atomi in un debole campo magnetico a bassa temperatura. Per la prima volta hanno scoperto che gli atomi, trasportando il loro momento angolare in singoli pacchetti (quanti), scambiare così due pacchetti. È stato anche dimostrato che la forza di interazione tra gli atomi può essere controllata. Questo è di interesse per lo studio delle reazioni chimiche, Per esempio. Il documento è stato pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Fino a pochi decenni fa era impensabile per i fisici condurre esperimenti con singole particelle atomiche. Erwin Schrödinger, uno dei pionieri della moderna teoria quantistica, si aspettava "conseguenze ridicole" da questa idea e la descrisse come simile all'allevamento di un dinosauro Ichtyosaurus in uno zoo. Però, i progressi della tecnologia laser e della fisica atomica oggi rendono possibili esperimenti con singoli atomi.

Anche i fisici del professor Artur Widera e il suo studente di dottorato Felix Schmidt presso la Technische Universität Kaiserslautern (TUK) stanno lavorando su questo argomento nel gruppo di ricerca Individual Quantum Systems. Si basano su un cosiddetto condensato di Bose-Einstein costituito da atomi di rubidio. "In fisica, questo si riferisce a uno stato della materia paragonabile agli stati liquidi e gassosi. Però, un tale condensato è uno stato quantomeccanico perfetto che si comporta come un'onda, " dice il professor Widera. Il condensato è paragonabile a un gas composto da pochissimi atomi.

In un recente studio, insieme al professor Eberhard Tiemann dell'Università Gottfried Wilhelm Leibniz di Hannover, hanno studiato gli effetti di un singolo atomo di cesio che colpisce un atomo di rubidio. Per osservare le particelle, i ricercatori devono prima raffreddarli a temperature appena sopra lo zero assoluto. "Abbiamo quindi utilizzato delle pinzette ottiche per portare gli atomi in contatto tra loro, " dice Felix Schmidt. Durante questo processo, gli atomi vengono trattenuti mediante raggi laser. I ricercatori hanno ora aggiunto un singolo atomo di cesio al gas rubidio per misurare ciò che accade prima e dopo la collisione degli atomi.

I fisici hanno osservato come le particelle cambiano il loro momento angolare durante l'impatto misurando lo stato del singolo atomo di cesio prima e dopo la collisione. Negli atomi, il momento angolare delle particelle è in una certa misura presente nei singoli pacchetti – i cosiddetti quanti elementari. I ricercatori hanno ora osservato che gli atomi possono scambiare due di questi quanti di momento angolare contemporaneamente in un singolo impatto. Finora, è stato osservato solo lo scambio di un singolo pacchetto (quants). "Questo è possibile solo perché abbiamo condotto l'esperimento in un campo magnetico basso, " dice Schmidt. Così, l'energia degli atomi è così bassa che soprattutto l'interazione tra i singoli elementi determina l'esito dell'urto. "Ciò rende possibile la trasmissione simultanea di due cosiddetti quanti elementari, ad esempio per il momento angolare cambiare due volte, "continua il fisico.

Ma gli scienziati hanno osservato anche un altro effetto. "Il debole campo magnetico e la bassa energia cinetica fanno sì che gli atomi interagiscano tra loro mille volte più grandi degli atomi stessi, anche a distanza, " continua Schmidt. Modificando l'intensità del campo magnetico, questo effetto potrebbe anche essere controllato. L'effetto è direttamente correlato a uno stato molecolare molto grande e molto debolmente legato tra le due particelle. "Siamo stati in grado di osservare indirettamente un'enorme molecola di circa due micrometri, ", ha detto Schmidt.

Questa conoscenza dell'interazione tra particelle a energie molto basse può, Per esempio, aiutano a studiare i legami nelle molecole. Sono costituiti da almeno due atomi che sono collegati da interazioni. Ciò consentirebbe, tra l'altro, la preparazione e lo studio di molecole molto grandi.