Physiker beobachten erstmals einzelne Zusammenstöße von Atomen bei Diffusion

Dr. Michael Hohmann, Erstautor der Studie (Foto: privat)

Das Bild zeigt eine Vakuumzelle, mit der die Physiker ihre Versuche durchführen. (Foto: AG Widera)

Unter Diffusion versteht die Forschung einen Vorgang, bei dem sich kleinste Teilchen in einem Gas oder einer Flüssigkeit gleichmäßig ausbreiten. Obwohl diese Medien aus einzelnen Teilchen bestehen, wird die Diffusion als ein kontinuierlicher Prozess wahrgenommen. Effekte eines einzelnen Stoßes zwischen Teilchen, dem grundlegenden Baustein der Diffusion, wurden bislang nicht beobachtet. Erstmals konnten Physiker aus Kaiserslautern und Erlangen nun die fundamentalen Schritte bei der Diffusion einzelner Atome in einem Gas beobachten und theoretisch beschreiben. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Schon vor fast 200 Jahren beobachtete der schottische Arzt und Forscher Robert Brown die Zitterbewegung von Pollen in einer Flüssigkeit. Ähnlich wie der Blütenstaub verteilen sich auch kleinste Teilchen, etwa Moleküle oder Atome, in Gasen und Flüssigkeiten. Dabei stoßen die einzelnen Teilchen zusammen, sodass sich ein Muster aus Zickzack-Bewegungen ergibt und sich die Teilchen verschiedener Stoffe durchmischen. Diese Zitterbewegungen werden in der Wissenschaft als „Brownsche Bewegung“ bezeichnet, das Ausbreiten und Durchmischen verschiedener Stoffe als Diffusion.

„Diffusion ist in vielen Bereichen von großer Bedeutung und liegt vielen Transportvorgängen zugrunde, zum Beispiel in lebenden Zellen oder auch in Energiespeichern“, sagt Professor Dr. Artur Widera, der an der Technischen Universität (TU) Kaiserslautern zu Quantenphysik einzelner Atome und ultrakalten Quantengasen forscht. „Ein Verständnis von Diffusionsvorgängen ist daher in fast allen Bereichen von Lebenswissenschaften über Naturwissenschaft bis zu Technologieentwicklung wichtig.“

Ein einfaches Verständnis von Diffusion in der Wissenschaft gelingt, wenn man die einzelnen Zusammenstöße von Teilchen vernachlässigt. „In diesem Zusammenhang sprechen wir auch von einem kontinuierlichen Medium, in das etwa ein größeres Teilchen hineindiffundiert. Diese Vereinfachung ist umso besser, je kleiner die Masse der Teilchen im Medium und je größer die Frequenz der Zusammenstöße ist“, sagt Dr. Michael Hohmann, Erstautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Professor Widera. Ein Beispiel aus dem Alltag ist Nebel. Er kann als ein solches Medium angesehen werden, obwohl er aus winzigen einzelnen Wassertropfen besteht.

Für ihr Experiment haben die Physiker um Widera die Bedingungen, die bei einem kontinuierlichen Medium herrschen, geändert: „Wir haben für die Diffusion statt großer Teilchen, wie etwa Pollen, einzelne Atome verwendet, die fast die gleiche Masse wie Atome des Gases haben. Außerdem haben wir ein sehr kaltes, dünnes Gas verwendet, um die Frequenz der Stöße drastisch herunterzusetzen“, erläutert Hohmann. Erstmals haben die Kaiserslauterer Forscher hierbei beobachtet, wie Cäsium-Atome in einem Gas aus Rubidium-Atomen fast am absoluten Temperaturnullpunkt diffundieren. „Bei diesen Temperaturen funktioniert kein Kühlschrank mehr. Die Atome haben wir in einer Vakuumapparatur mit Laserstrahlen gekühlt und festgehalten. Die Diffusion wurde dadurch derartig verlangsamt, dass einzelne Schritte der Diffusion zu sehen waren“, erläutert Professor Widera den Versuchsaufbau.

Bei der theoretischen Beschreibung für das Experiment wurden die Kaiserslauterer Forscher von ihrem Kollegen Theorie Physik-Professor Dr. Eric Lutz von der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) unterstützt, indem er die mathematische Modellierung mitentwickelt hat. „Mit diesem neuen Modell können wir die Bewegung der Atome nun besser beschreiben“, sagt der Erlanger Forscher.

Zusammen konnten sie nachweisen, dass es reicht, den Reibungsfaktor bei der theoretischen Berechnung des kontinuierlichen Modells zu verändern. Auf diese Weise lassen sich auch Fälle beschreiben, bei denen es sich wie im oben erwähnten Versuch nicht um ein kontinuierliches Medium handelt. Dies ist zum Beispiel in den dünnen Luftschichten der oberen Atmosphäre, im interstellaren Raum oder in der Vakuumtechnologie der Fall, wenn sich hier Aerosole, ein Gemisch aus Schwebteilchen, ausbreiten. 

Die Erkenntnisse der Forscher können beispielsweise von Interesse sein, um die Ausbreitung von Aerosolen in der Atmosphäre oder von Gasen in Vakuumanlagen besser zu verstehen.

Die Herausgeber der Fachzeitschrift Physical Review Letters würdigen die Studie als besonders interessante und lesenswerte Arbeit und veröffentlichen sie als Editor`s Suggestion: „Individual tracer atoms in an ultracold dilute gas.“ DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.263401

Ergänzend zur Publikation gibt es einen englischsprachigen Fokusartikel im Onlinejournal „Physics“: https://physics.aps.org/articles/v10/76