Mehr Kontrolle in der Welt der kleinsten Teilchen: RPTU weist außergewöhnlichen Quantenzustand nach

Ein Molekül, das eigentlich zerfallen müsste, bleibt stabil: Forschende der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) haben einen außergewöhnlichen Quantenzustand experimentell nachgewiesen, der bereits vor mehr als 40 Jahren theoretisch vorhergesagt wurde. Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten, Wechselwirkungen und Verluste in Quantensystemen gezielt zu kontrollieren – eine zentrale Herausforderung für künftige Quantentechnologien.

Wie kann etwas zusammenbleiben, das eigentlich auseinanderfallen müsste? Dieser Frage sind Forschende der RPTU nachgegangen. Dabei ist ihnen der experimentelle Nachweis eines außergewöhnlichen Zustands gelungen, in dem zwei Atome miteinander verbunden bleiben, obwohl sie eigentlich genügend Energie hätten, sich voneinander zu lösen. Die Ergebnisse sind in der renommierten Fachzeitschrift Nature Physics erschienen.

„Das Überraschende ist, dass der molekulare Zustand energetisch zerfallen könnte, die Quanteninterferenz diesen Zerfall aber unterdrückt“, fasst Professor Artur Widera, Leiter der Arbeitsgruppe Individual Quantum Systems an der RPTU, die fachlichen Hintergründe zusammen. „Die Wellennatur der Materie ermöglicht es einem Zustand, gebunden zu bleiben, obwohl wir normalerweise erwarten würden, dass er zerfällt.“ Vereinfacht gesagt bedeutet dies: Teilchen wie Atome verhalten sich nicht nur wie winzige Körper, sondern besitzen zugleich Eigenschaften von Wellen. Treffen solche Wellen aufeinander, können sie sich gegenseitig verstärken oder auslöschen. Physikerinnen und Physiker sprechen dann von Interferenz. Genau dieser Effekt, so zeigt es die aktuelle Studie, verhindert im Experiment das Auseinanderfallen zweier Atome.

Gebunden, obwohl der Zerfall möglich wäre

Doch von vorne: Um die Atome eines Moleküls normalerweise voneinander zu trennen, ist Energie notwendig. Unterhalb einer bestimmten Energieschwelle bleiben die Atome aneinander gebunden. Oberhalb davon können sie sich voneinander lösen. In der Quantenwelt ist jedoch so manches anders: Das Forschungsteam der RPTU konnte einen sogenannten „gebundenen Zustand im Kontinuum“ zeigen. Physikerinnen und Physiker bezeichnen damit einen Zustand, dessen Energie eigentlich ausreichen würde, damit sich die beteiligten Atome voneinander lösen. Dennoch bleiben sie gebunden.

Für die Physik ist dieses Phänomen von besonderem Interesse. Bereits 1985 sagten theoretische Physiker voraus, dass ein solcher Zustand unter bestimmten Bedingungen entstehen kann. Verwandte Effekte konnten später mit Licht und Schall beobachtet werden. Doch der nun erbrachte Nachweis zeigt erstmals, dass sich der Mechanismus bei Kollisionen ultrakalter Atome gezielt im Experiment verwirklichen lässt.

Ein Prinzip, das von Kopfhörern mit Geräuschunterdrückung bekannt ist

Das Prinzip dahinter nutzen in ähnlicher Weise auch Kopfhörer mit aktiver Geräuschunterdrückung. Sie erzeugen Schallwellen, die störende Geräusche gezielt auslöschen. Im Experiment der RPTU geschieht etwas Vergleichbares auf der Ebene einzelner Atome: Ein Molekül kann grundsätzlich auf unterschiedlichen Wegen in einzelne Atome zerfallen. Jeder dieser Zerfallswege ist mit einer eigenen Quantenwelle verbunden. Treffen diese Quantenwellen in der richtigen Weise aufeinander, können sie sich gegenseitig aufheben. Ähnlich wie zwei gleich starke Kräfte, die sich gegenseitig neutralisieren, blockiert dieser Effekt den Zerfall. Die Folge: Obwohl die Atome eigentlich genügend Energie hätten, sich voneinander zu lösen, bleiben sie miteinander verbunden.

Auf eigener Forschung aufgebaut

Möglich wurde dieser Nachweis durch eine Methode, die das Team bereits 2025 in Science Advances vorgestellt hatte. Darin zeigten die Forschenden, wie sich schnell schwingende Magnetfelder nutzen lassen, um Wechselwirkungen zwischen Atomen in einem ultrakalten Gas präzise zu steuern.

Für die aktuelle Studie kühlten die Forschenden Lithiumatome auf weniger als ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab. Unter diesen extremen Bedingungen lässt sich das Quantenverhalten von Materie besonders gut beobachten und kontrollieren.

Anschließend brachten sie mithilfe präzise eingestellter Magnetfelder zwei molekulare Resonanzen zusammen, also Zustände, in denen Atome besonders stark miteinander wechselwirken. Dadurch konnten die Forschenden genau den Effekt erzeugen, der den Zerfall des Moleküls unterdrückt.

Um diesen Zustand nachzuweisen, untersuchte das Team unter anderem, wie viele Atome im Verlauf des Experiments aus dem Gas verloren gingen. Denn ohne den beobachteten Schutzeffekt hätten deutlich mehr Atome aus dem System verschwinden müssen. Zusätzlich beobachteten die Forschenden die Bewegung der Atomwolke und nutzten Radiowellen, um die entstandenen Molekülzustände gezielt zu untersuchen. Gemeinsam lieferten diese Messungen den charakteristischen experimentellen Nachweis des ungewöhnlichen Quantenzustands.

„Unsere frühere Arbeit gab uns ein Werkzeug an die Hand, mit dem wir kontrollieren können, wie Atome miteinander wechselwirken“, sagt Erstautor Alexander Guthmann. „Hier haben wir diese Kontrolle genutzt, um zwei Möglichkeiten für den Zerfall eines Moleküls dazu zu bringen, sich gegenseitig auszulöschen. Das zeigt eindrucksvoll, wie die Quantenphysik einen erwarteten Verlust in einen Schutzmechanismus verwandeln kann.“

Basis für zukünftige Anwendungen

Die Arbeit bestätigt nicht nur eine jahrzehntealte theoretische Vorhersage. Sie eröffnet auch einen neuen Weg, die Wechselwirkungen von Quantensystemen mit ihrer Umgebung gezielt zu kontrollieren.

Die Erkenntnisse sind mit Blick auf mögliche Anwendungen relevant: Quantentechnologien gelten als Schlüsseltechnologien der Zukunft. Sie versprechen unter anderem leistungsfähigere Sensoren für Medizin und Navigation, abhörsichere Kommunikationsverfahren sowie Quantencomputer, die bestimmte komplexe Berechnungen deutlich schneller durchführen könnten als heutige Rechner.

Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs/Transregio 185 sowie vom Europäischen Forschungsrat durch einen ERC Advanced Grant im Rahmen des EU-Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont Europa gefördert.

Die Studie:

Alexander Guthmann, Louisa Marie Kienesberger, Felix Lang, Eleonora Lippi und Artur Widera: Bound states in the continuum through quantum interference in ultracold atomic collisions. Nature Physics. https://www.nature.com/articles/s41567-026-03519-6

Wissenschaftlicher Ansprechpartner:

Prof. Dr. Artur Widera

Individual Quantum Systems

Fachbereich Physik und Forschungszentrum OPTIMAS

RPTU Kaiserslautern-Landau

E-Mail: widera[@]rptu.de

Pressekontakt:

Christine Pauli

Universitätskommunikation

E-Mail: presse[@]rptu.de