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Eine Feshbach-Resonanz ist ein Effekt aus der physikalischen Streutheorie, die nach dem amerikanischen Physiker Herman Feshbach benannt ist. Sie tritt auf, wenn ein gebundener Zustand (Molekülzustand) zwischen zwei Atomen in einem Streupotential, das sich energetisch höher befindet als die Energie der einlaufenden Teilchen, mit eben jener Energie nahezu übereinstimmt. In diesem Falle können die beiden Atome diesen gebundenen Zustand einnehmen. Dadurch "spüren" sie das Potenzial für längere Zeit, und die Änderung ihrer Wellenfunktion nimmt zu. Dadurch ändert sich die Streulänge der streuenden Atome.

Feshbach-Resonanzen können künstlich herbeigeführt werden: Im Falle der magnetischen Feshbach-Resonanz bedient man sich des Zeeman-Effektes, um die Streupotenziale so zueinander zu verschieben, dass diese Resonanz auftritt. Bei der optischen Feshbach-Resonanz hingegen koppelt man die Atome mit dem Molekülzustand, indem man Laserlicht mit genau dem Energieabstand einstrahlt. Mit beiden Methoden lässt sich so die Streulänge nahezu nach belieben ändern.

Die Molekülzustände werden normalerweise nicht tatsächlich besetzt: Dies ist unmöglich, da dabei ja Energie gewonnen oder verloren würde. Nur wenn der Molekülzustand genau auf der Energie der einlaufenden Atome liegt, gilt Energieerhaltung und die Atome können Moleküle bilden. Bei einer magnetischen Feshbach-Resonanz kann man diesen Fall künstlich herbeiführen, und so gezielt Moleküle erzeugen. Man braucht nur das Magnetfeld so einzustellen, dass sich Moleküle bilden. Dann kann man das Molekülpotenzial absenken, und die Moleküle bleiben bestehen.

Kalte Atome

Die wichtigsten Anwendungen der Feshbach-Resonanz dürften im Bereich der kalten Atome liegen. Sie sind hier als Forschungsobjekt beliebt, aber auch gefürchtet, führen sie doch insbesondere bei Bosonen zu starken Verlusten, da beim Durchstimmen der Magnetfelder sich die Streulänge plötzlich ändert, die Atome dadurch stoßen können und man durch Stoßprozesse die Atome aus der Falle verliert.

Im Falle von Fermionen wird genau dies begrüßt: Die Feshbach-Resonanz ermöglicht nicht nur eine Wechselwirkung, sondern sogar eine, die sich wie oben beschrieben nach Belieben verändern lässt. Mit Fermionen konnte man daher auch erstmalig wie oben erwähnt gezielt Moleküle erzeugen. Da diese wiederum als Fermionenpaare Bosonen darstellen, konnte man diese in Form eines Bose-Einstein-Kondensates kondensieren.

Aber nicht nur das: liegt der Molekülzustand energetisch niedriger als die Energie der einlaufenden Atome (Wechselwirkungsoperator im Hamiltonian muss negativ sein), ist die Wechselwirkung anziehend. Existiert zwischen Fermionen eine anziehende Wechselwirkung, so ist eine der Voraussetzungen der BCS-Theorie erfuellt. So konnte man einen BCS-Zustand aus Atomen erzeugen, der dem Elektronen-Grundzustand eines Supraleiters gleicht.

Literatur

• Herman Feshbach: Ann. Phys. (N.Y.) 5 (1958) 357
• Ugo Fano: Nuovo Cimento 12 (1935) 156
• Ugo Fano: Phys. Rev. A 124 (1961) 1866
• Per-Olov Löwdin: Studies in Perturbation Theory. IV. Solution of Eigenvalue Problem by Projection Operator Formalism. J. Math. Phys. 3 (1962) 969-982
• C. Bloch: Nucl. Phys. 6 (1958) 329