03. März 2008 10:19

Sensation 

Tiroler führten erste Atom-Laser-Messung durch

Die innsbrucker "zähmten" die Atome in einem eigenen Kondensat und führten damit die weltweit erste Messung mit einem Atom-Laser durch.

Tiroler führten erste Atom-Laser-Messung durch
© oe24

Messen mit optischen Lasern ist heute Standard, Geräte finden sich schon in jedem Baumarkt. Messungen mit Atom-Lasern hielt man bisher für unmöglich. Denn im Gegensatz zu Photonen des Lichtlaser wechselwirken die Atome eines Materiewellen-Laser miteinander, was jede Messung unmöglich macht. Innsbrucker Physikern ist dies nun aber doch gelungen, indem sie die Wechselwirkung zwischen den Atomen in einem ultrakalten Quantengas, einem sogenannten Bose-Einstein-Kondensat (BEC), mit einem Trick unterdrückten.

Laser sendet geordnete Photonen
Eine Glühbirne unterscheidet sich von einem Laser so ähnlich wie thermische Atome (das sind praktisch alle Atome, wie sie überall in der Natur vorkommen) von einem Bose-Einstein-Kondensat. Photonen werden aus der Glühbirne völlig ungeordnet und zufällig ausgesendet, im Laser dagegen erfolgt das völlig geordnet. Den Photonen aus der Glühbirne entsprechen Atome wie sie üblicherweise vorkommen: sie schwingen ebenfalls mehr oder weniger unkoordiniert und zufällig. Nur in dem erst vor einigen Jahren entdeckten BEC, ein Materiezustand nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius), schwingen die Atome im völligen Gleichklang.

Handhabung besonders komplex
Dieser besondere Gleichschritt der ultrakalten Atome bedeutet aber nicht, dass sie sich nicht gegenseitig beeinflussen - womit sie außer Tritt kommen. Aufgrund dieser Wechselwirkung haben sich BEC bisher nicht als Atom-Laser geeignet, jede Mess-Anwendung wurde durch die gegenseitige Beeinflussung der Atome gestört. Aus diesem Grund haben die Wissenschafter des Instituts für Experimentalphysik der Universität Innsbruck die Wechselwirkung in einem ultrakalten Quantengas aus Cäsiumatomen mit einem Trick unterdrückt: Sie verwendeten dazu unter anderem optische Gitter, bei denen die einzelnen Atome in den "Löchern" eines durch herkömmliches Laserlicht hergestellten Gitters eingefangen werden.

Damit haben die Forscher um Hanns-Christoph Nägerl, der 2003 mit dem höchsten österreichischen Nachwuchspreis für Wissenschafter, dem Start-Preis, ausgezeichnet wurde, eine sogenannte Bloch-Oszillation in einem BEC beobachtet. Dieses quantenmechanische Phänomen wurde von Theoretikern schon früh vorhergesagt. Demnach würde in einem idealen, störungsfreien Draht kein Strom fließen, wenn man eine Spannung anlegt. Denn die Elektronen im Kristallgitter eines solch perfekten Festkörpers schwingen nur um eine Ruhelage ohne sich fortzubewegen. Diese Bloch-Schwingung wurde in den 1990er-Jahren erstmals in speziellen Halbleiterstrukturen experimentell beobachtet.

"Gezähmte" Photonen
Laut Nägerl sind die Innsbrucker Physiker die weltweit einzigen, die die Wechselwirkung der Atome in dieser Perfektion unterdrücken können. In einem so "gezähmten" BEC werden die Atome durch die Schwerkraft beschleunigt, bis sie an einem bestimmten Punkt abrupt abgebremst und wieder zurückgeworfen werden. Dieses Auf und Ab, also die Bloch-Oszillation, können die Forscher über zehn Sekunden lang beobachten, "in der Welt der Quantenphysik ist das eine halbe Ewigkeit", sagte Nägerl, dessen Arbeit in der aktuellen Ausgabe der Physical Review Letters veröffentlicht wurde.

Das BEC wird damit zum Atom-Laser, der etwa zur noch genaueren Bestimmung von Naturkonstanten oder von fundamentalen Größen verwendet werden könnte. So ließe sich laut Nägerl die lokale Gravitationskonstante exakt bestimmen oder die Feinstrukturkonstante, welche die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung angibt, in bisher unerreichter Genauigkeit messen. Die Arbeit der Wissenschafter wurde in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.




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