Solitonen unterwandern Zusammenprall

Wissenschaftler um Jason Nguyen von der Rice University in Houston in den USA beobachteten, wie zwei Materiewellen aus ultrakalten Lithiumatomen bei einem Kollisionsexperiment den Platz tauschten, ohne sich je am gleichen Ort zu befinden. Da sie sich auf einem eindimensionalen Pfad bewegten, konnten sich die Materiewellen nicht umgehen, sondern müssen einen Teil der Strecke übersprungen haben, so die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Physics“.

Die Forscher erzeugten zunächst ein Bose-Einstein-Kondensat aus Lithiumatomen. Ein großer Teil der auf wenige Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlten Atome besetzt in diesem Materiezustand das tiefstmögliche Energieniveau. Deshalb gibt es auch eine gemeinsame Wellenfunktion, die diese Teilchen beschreibt. Aus dieser mathematischen Funktion lässt sich die Wahrscheinlichkeit dafür berechnen, mit der sich eines der Atome an einem bestimmten Ort aufhält. Die Teilchendichte des Kondensats spiegelt diese Aufenthaltswahrscheinlichkeiten wieder: Dort wo die Aufenthaltswahrscheinlichkeit höher ist, halten sich statistisch betrachtet auch mehr Atome auf und die Teilchendichte ist höher. Auf diese Weise lässt sich die Wellenfunktion gewissermaßen direkt beobachten.

Kollisionsverhalten von Solitonen

Nguyen und seine Kollegen teilten die kondensierten Teilchen in zwei verschieden große Gruppen von jeweils rund 28 000 Atomen. Dabei wurde auch die Wellenfunktion geteilt: Es entstanden ein großer und ein kleinerer Wellenberg, die – von einem Laserlichtfeld gelenkt – auf einer eindimensionalen Bahn hin- und herpendelten. Anders als gewöhnliche Wellenberge bewegten sie sich fort, ohne die einhüllende Form zu ändern, also weder zu brechen noch zu zerfließen. Wellen mit dieser Eigenschaft heißen Solitonen. Das Verhalten der beiden linear pendelnden Atomgruppen hing nun davon ab, wie die Solitonen anfingen zu schwingen. Schwangen sie synchron, so nahmen sie bei jedem Zyklus für einen Augenblick denselben Ort ein, jedoch ohne sich zu stören.

Im Fall gegenphasiger Schwingung befanden sich die Solitonen dagegen nie am selben Ort: Sie näherten sich bis zu einem gewissen Abstand an und tauchten hinter dem Ort des vermeintlichen Zusammenpralls wieder auf. Wie die Forscher an der unterschiedlichen Größe der beiden Wellenpakete erkennen konnten, setzte jedes Soliton seine Route fort, anstatt wie nach einem Zusammenprall umzukehren. Sie wechselten also die Plätze, indem sie einen Teil der Strecke übersprangen. „Sie durchdringen sich, ohne je den gleichen Ort einzunehmen“, erklärt Nguyens Institutskollege und Koautor Randall Hulet. „Stellen Sie sich die beiden Solitonen wie Wellen vor. Das eine hat positiven Ausschlag, das andere negativen. Die Wahrscheinlichkeit, sich in der Lücke aufzuhalten, ist Null.“