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Planetenmodell des Rydberg-Molek�ls: Das Elektron des Rydberg-Atoms kreist auf einer hochangeregten Bahn und bindet dadurch das zweite Atom, das sich auf seiner Bahn befindet. Unten: Wahrscheinlichkeitsverteilung des Rydberg-Elektrons und das resultierende anziehende Potential des Molek�ls.
[Grafik: Universit�t Stuttgart]
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In diesem neuartigen Molek�l ist eines der beiden Atome hoch angeregt: Sein �u�erstes Elektron kreist auf einer Bahn mit sehr gro�em Durchmesser und ist nur noch schwach an den Rest des Atoms gebunden. Man bezeichnet diese hochangeregten Atome nach ihrem schwedischen Entdecker Johannes Rydberg als Rydberg-Atome und das zugeh�rige Elektron auch als Rydberg-Elektron. Das zweite Atom des Molek�ls befindet sich im Grundzustand. Das Besondere an diesem Molek�l ist sein Bindungsmechanismus: Er beruht ausschlie�lich auf dem Einfluss des Rydberg-Elektrons auf das zweite Atom. Es wird im elektrischen Feld des Elektrons polarisiert und dadurch an das Rydberg-Atom gebunden. Die Gr��e des Molek�ls wird deshalb direkt durch die Umlaufbahn des Rydberg-Elektrons bestimmt. Damit z�hlt dieses Molek�l mit einem Durchmesser von mehr als 100 Nanometern zu den gr��ten bekannten zweiatomigen Molek�len. Strenggenommen bewegen sich die Elektronen in einem Atom nicht auf Kreisbahnen, sondern sind entsprechend einer r�umlichen Verteilung "verschmiert". In der Quantenmechanik wird diese durch die Wellenfunktion beschreiben. Vom Zentrum des Atoms ausgehend besitzt diese Verteilung abwechselnd Maxima und Minima. Dort, wo das Maximum am gr��ten ist, ist auch die Wahrscheinlichkeit am gr��ten, das Elektron anzutreffen. Genau hier liegt die klassische Bahn des Elektrons. Damit sich das neu entdeckte Molek�l bilden kann, muss sich genau in diesem Abstand ein Atom im Grundzustand befinden. Da die Atome in einem Gas bei Zimmertemperatur viel gr��ere Abst�nde voneinander haben und sich au�erdem mit Schallgeschwindigkeit bewegen, benutzten die Physiker aus der Gruppe von Tilman Pfau ein ultrakaltes Gas aus Rubidiumatomen und bestrahlten dieses mit Laserlicht. Dadurch wurde das �u�ere Elektron von einigen Rubidiumatomen auf eine sehr gro�e Bahn "gehoben" und es konnten Rydberg-Atome erzeugt werden. Charakterisierung der Molek�le Wie l�sst sich aber kontrollieren, ob dabei wirklich ein Molek�l entstanden ist? Bei der Entstehung der meisten Molek�le kann der �bergang von freien Atomen zu Molek�len direkt an ver�nderten Eigenschaften beobachtet werden. Die Eigenschaften des neuartigen Rydberg-Molek�ls werden jedoch haupts�chlich vom Rydberg-Atom bestimmt. Wegen dieser �hnlichkeit von Atom und Molek�l scheidet der konventionelle Nachweis aus. Deshalb untersuchten die Forscher um Tilman Pfau den Prozess, der zur Bildung der Molek�le f�hrt. F�r die Anregung eines Atoms in einen Rydberg-Zustand wird eine charakteristische Energie des Laserlichts ben�tigt. Erzeugen sie aber ein Molek�l, so �ndert sich diese Energie: Sie ist genau um die Bindungsenergie des Molek�ls kleiner. Um also zu pr�fen, ob es sich um ein Molek�l oder ein einfaches Rydberg-Atom handelt, haben die Physiker die Energie ihres Lasers in kleinen Schritten ver�ndert und die Anzahl der entstandenen Rydberg-Atome gemessen. Durch diese Methode, bei der sie die Energie ihres Lasers mit einer Genauigkeit von eins zu einer Milliarde kennen, konnten sie das neuartige Molek�l erzeugen und gleichzeitig seine Bindungsenergie bestimmen. Der erstmalige Nachweis dieses neuen Bindungsmechanismus ist eine wichtige Best�tigung einer Theorie, die diese Art von Molek�len bereits im Jahr 2000 vorhergesagt hat. Daneben haben die Physiker an diesen Molek�len aber auch den Einfluss eines Elektrons auf das Grundzustandsatom sehr isoliert studiert und erstmals quantifiziert. Damit konnten sie wichtige quantenmechanische Eigenschaften des Elements Rubidium bestimmen. Grunds�tzlich k�nnen diese Molek�le nicht nur aus Rubidium, sondern aus allen Elementen gebildet werden, f�r die die Kraft durch ein Elektron anziehend ist, wie etwa bei den anderen Alkalimetallen. Damit ist dieser Bindungstyp auf eine Vielzahl von chemischen Elementen �bertragbar. Die Arbeit entstand im Rahmen des transregionalen Sonderforschungsbereichs SFB/TR 21 (Control of quantum correlations in tailored matter) und wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG, der Landesstiftung Baden-W�rttemberg sowie einen Gastprofessor aus Oklahoma (Humboldtstiftung) unterst�tzt.
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