Quantenphysik mit Atomen

Atominterferometrie

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Abb. 1. Oben: Schematische Darstellung der Atominterferometrie. Heliumatome fliegen durch einen Doppelspalt und werden auf einem Detektorschirm einzeln nachgewiesen. Unten: Nach einiger Zeit bildet sich ein Interferenzmuster aus, das dem von interferierenden Lichtwellen ähnlich ist. (Tilman Pfau und Jürgen Mlynek, Universität Konstanz)

Atome als Wellen

Je kälter die Teilchen werden, um so deutlicher werden ihre Welleneigenschaften. In Analogie zur Wellenoptik mit Licht sind deshalb in den letzten Jahren zwei neue, sehr dynamische Arbeitsgebiete entstanden: die Atomoptik und die Atominterferometrie. In der Atominterferometrie nutzt man die Tatsache, dass Interferenzmuster entstehen, sobald ein Atom auf mehr als einem Weg von der Quelle zum Detektor gelangen kann. Um ein solches Interferometer im Labor zu realisieren, braucht man geeignete Spiegel und Strahlteiler, die die atomaren Wellenpakete aufspalten, umlenken und schließlich wieder zusammenbringen. Dazu benutzt man entweder extrem feine, nanostrukturierte Gitter, oder man lässt die Atome mit Laserstrahlen wechselwirken. In diesem Fall sind die Rollen von Licht und Materie vertauscht, die sie in einem herkömmlichen, optischen Interferometer spielen: Materiewellen werden durch Lichtfelder abgelenkt und aufgespalten, statt Lichtfelder durch Materie. Mit Hilfe anderer Lichtfeldkonfigurationen lassen sich noch weitere atomoptische Elemente realisieren wie Linsen, Beugungsgitter oder Wellenleiter. Die Atomoptik findet auch interessante Anwendungen, zum Beispiel bei der Herstellung von Nanostrukturen oder beim strukturierten Dotieren von Gläsern und Halbleitern mittels lasergekühlter Atome.

Genauer messen mit Atomen

Da das Interferenzmuster eines Atominterferometers sehr empfindlich auf Umgebungseinflüsse reagiert, kann man diese mit einem solchen Gerät sehr empfindlich nachweisen und mit hoher Präzision vermessen. Insbesondere für die Messung von Rotationsbewegungen oder der Erdbeschleunigung haben Atominterferometer, die mit Lichtpulsen arbeiten, inzwischen eine Leistungsfähigkeit erreicht, die derjenigen konventioneller Verfahren zumindest ebenbürtig, wenn nicht sogar überlegen ist. Dabei sind die prinzipiell gegebenen Grenzen der Messgenauigkeit noch bei weitem nicht ausgeschöpft, und zukünftige Experimente versprechen signifikante Verbesserungen. Ein aktuelles Beispiel ist der Einsatz von miniaturisierten experimentellen Aufbauten, in denen kalte Atome durch Mikro- oder Nanostrukturen geleitet und manipuliert werden. Diese neuartigen Quantensensoren sollten erheblich leistungsfähiger sein als alle momentan verfügbaren klassischen Sensoren. Sie haben deshalb ein erhebliches Anwendungspotential.

Kälter als kalt - Bose-Einstein-Kondensate

Wenn man eine Wolke von Atomen noch weiter kühlt, als es mit normalen Laserkühlverfahren möglich ist, dann eröffnet sich eine Welt neuer physikalischer Phänomene. Sobald der gegenseitige Abstand der Teilchen mit ihrer Wellenlänge vergleichbar wird, gelten völlig neue Regeln: Durfte man die Atome vorher als separate Teilchen betrachten, so verlieren sie nun ihre Individualität und gehen völlig auf in der Gesamtheit aller Atome der Wolke. Man spricht dann von einem kohärenten Vielteilchensystem.

Die Bosonen, eine von zwei möglichen Klassen von Teilchen oder Atomen, streben bei extrem niedrigen Temperaturen alle in den gleichen Quantenzustand. Für diese Teilchen hatten Satyendra Bose und Albert Einstein bereits in den 20er Jahren vorhergesagt, dass der Übergang zu einem kohärenten Vielteilchensystem sehr plötzlich auftreten und, ähnlich wie bei einem klassischen Phasenübergang, von einer Änderung der makroskopischen Eigenschaften begleitet sein sollte. Im Jahre 1995 konnte diese Bose-Einstein-Kondensation erstmals - nach fast zwanzigjährigen, zähen Vorarbeiten - von drei amerikanischen Gruppen für Atome der Metalle Rubidium, Lithium und Natrium beobachtet werden. Inzwischen ist dies auch drei Forschergruppen in Deutschland gelungen. Der erste Schritt ist dabei wieder die Laserkühlung geeigneter Atome. Trotz konsequenter Optimierung stößt dieses Verfahren jedoch irgendwann an seine Grenzen: Der letzte Schritt verlangt nach einer anderen Methode, der Verdampfungskühlung. Indem man immer wieder gezielt die heißesten Atome aus der Falle entfernt, gelingt es, die restlichen Atome effizient zu kühlen. Dasselbe Prinzip nutzen wir aus, wenn wir eine Tasse dampfend heißen Kaffees abkühlen, indem wir den aufsteigenden Dampf fortblasen. Mit dieser Methode erreicht man schließlich die kritische Temperatur für den Übergang zum Bose-Einstein- Kondensat, die typischerweise einige 10 nK (1 nK=10^-9 Kelvin) beträgt.

Auf dem Weg zum Atomlaser

Erste Schritte zum Atomlaser

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Abb. 2. Erste Schritte zum Atomlaser: Atome werden (kontinuierlich oder gepulst) kohärent aus einem Bose-Einstein-Kondensat ausgekoppelt und fallen nach unten. Die abgebildeten Messungen wurden am MIT in Cambridge, USA, am MPI für Quantenoptik in Garching bei München, an der Yale Universität, USA, und am NIST in Gaithersburg, USA, durchgeführt.

Inzwischen hat man Bose-Einstein-Kondensate hergestellt, deren Wellenfunktion eine Ausdehnung von bis zu 0,1 Millimeter erreicht und damit makroskopische Ausmaße hat. Auf diese Weise bilden Bose-Einstein-Kondensate eine neue Brücke zwischen der Quantenwelt und unserer gewohnten, alltäglichen Erfahrungswelt. Die Anwendungsmöglichkeiten für solche makroskopischen Quantensysteme sind heute noch nicht abzuschätzen - nicht umsonst wurde das Bose- Einstein-Kondensat 1995 zum "Molekül" des Jahres gewählt. Doch bereits jetzt ist absehbar, dass der Übergang von einzelnen Atomen mit Wellencharakter zu einem Bose-Einstein-Kondensat ähnlich revolutionäre Folgen haben wird, wie der Übergang von der Glühbirne zum Laser vor 40 Jahren. Einen großen Schritt auf diesem Weg stellen Atomlaser dar. Sie sind kontinuierliche Quellen für Bose-Einstein-Kondensate, die intensive Strahlen kohärenter Materiewellen emittieren - vergleichbar mit den Laserstrahlen in der Lichtoptik. Schon heute gibt es erste Erfolge in dieser Richtung, so dass die spektakulären Eigenschaften dieser Quellen schon bald neue Anwendungen ermöglichen werden.

Fermi-Gase und Molekülkondensate

Neben den Bosonen gibt es in der Quantenwelt noch die Fermionen: Waren die Bosonen äußerst gesellige Teilchen, so dürfen sich zwei Fermionen unter keinen Umständen im gleichen Quantenzustand aufhalten. Aber auch die Fermionen verlieren bei ultratiefen Temperaturen ihre Identität und gehen in einen kollektiven Quantenzustand über. Allerdings ist dieser Zustand völlig anders geartet als ein Bose-Einstein-Kondensat. Inzwischen ist die Erzeugung eines solchen degenerierten Fermi-Gases aus Kaliumatomen gelungen.

Eine weiteres hochaktuelles Forschungsziel besteht darin, Quantengase aus Molekülen zu erzeugen. Über lange Zeit schien hier der Fortschritt blockiert, weil entsprechende Kühlverfahren fehlten: Die komplizierte innere Molekülstruktur verhinderte eine effiziente Laserkühlung. In jüngster Zeit aber sind sehr viele neue, kreative Ansätze zur Lösung dieses Problems entwickelt worden, so dass schon bald ultrakalte Moleküle für weitergehende Experimente zur Verfügung stehen sollten.

"Quantum Engineering"

In der Vergangenheit hat man einzelne oder wenige Atome, Photonen oder andere Quantenteilchen vor allem zu Demonstrationszwecken beobachtet und manipuliert oder um Tests fundamentaler quantenphysikalischer Effekte durchzuführen. Doch inzwischen wird über Anwendungen dieser Effekte nachgedacht. Es entwickelt sich ein neues Gebiet, die Quantentechnologie oder das Quantum Engineering. Unter diesem Sammelbegriff lassen sich alle Bemühungen subsumieren, die zum Ziel haben, Quanteneffekte für fundamental neue Anwendungen zu nutzen, die sich mit Methoden der klassischen Physik nicht verwirklichen lassen.

Vorangetrieben wird das neue Gebiet des Quantum Engineering aus einer grundlegenden Notwendigkeit heraus: Bei fortschreitender Miniaturisierung in der Elektronik und auch in der Optik werden innerhalb der nächsten Jahre die optischen und elektronischen Bauelemente eine so kleine Strukturgröße erreichen, dass nicht mehr die Gesetze der klassischen Physik dominieren, sondern diejenigen der Quantenphysik. Bereits jetzt existieren Transistoren, die nur mit einem einzigen Elektron arbeiten, und Lichtquellen, die einzelne Photonen aussenden.

Es ist das Ziel einer großen Anzahl von Experimenten, immer komplexere Quantensysteme zu kontrollieren und den Quantenzustand einzelner Teilchen maßzuschneidern. Besonders kritisch ist hierbei, dass Quantenobjekte sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften besitzen. In einem Quantensystem mit definierten Eigenschaften schwingen die Quantenwellen sozusagen "synchronisiert" (kohärent) miteinander. Doch diese Kohärenz ist eine extrem fragile Eigenschaft, die sehr leicht verloren gehen kann, wenn das System unkontrolliert mit seiner Umgebung wechselwirkt. Dieser als Dekohärenz bezeichnete Verlust von Kohärenz ist dafür verantwortlich, dass die uns vertraute makroskopische Welt sich so sehr von der Quantenwelt unterscheidet. Um die Kohärenz zu erhalten, müssen Quantensysteme nahezu perfekt von der Umgebung abgeschirmt werden. Aus diesem Grund sind bislang komplexe Vakuumapparaturen oder sehr tiefe Temperaturen bei den entsprechenden Experimenten notwendig.