Der Atomlaser – Science oder Fiction?

Tatsächlich sind Licht und Materie gar nicht so unterschiedlich, wie es auf den ersten Blick erscheinen mag. So gehört es zu den frühesten Befunden der Quantentheorie, das Licht sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter aufweist. Und gleiches gilt auch für Materie: 1924 stellte der französische Physiker Luis de Broglie in seiner Doktor­arbeit die revolutionäre These auf, dass materielle Teilchen durch Wellen beschrieben werden können. Genauer gesagt entspricht ein Teilchen mit einer bestimmten Bewegungsenergie einer ebenen Welle im Raum.

Das Spektrum der Sonnenstrahlung und eines grünen Lasers

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Oben: Thermisches Licht besteht aus lauter Einzelwellen mit verschiedenen Frequenzen. Es besitzt ein kontinuierliches Frequenzspektrum mit einer Breite, die proportional zur Temperatur der Lichtquelle ist. Das Spektrum wird durch die berühmte Planck-Verteilung beschrieben. Die Abbildung zeigt das Planck-Spektrum des Sonnenlichts. Die Temperatur der Sonnenoberfläche von 5780 K führt zu einem Strahlungs­maximum bei einer Wellenlänge von etwa 500 Nanometern, also im grünen Farbbereich. Unten: Zum Vergleich das Emissionsspektrum eines grünen Lasers. Ein Laser gibt Strahlung nur bei einer einzigen Wellenlänge ab, im Spektrum zeigt sich entsprechend nur eine einzige Linie.

Was bedeutet diese Vorstellung zum Beispiel für ein Gas in einem Behälter? James Clerk Maxwell und Ludwig Boltzmann haben im 19. Jahrhundert herausgefunden, dass die Geschwindigkeiten und damit die Bewegungsenergie der Gasteilchen einer Verteilung gehorchen, deren Breite durch die Temperatur bestimmt ist. Ihre mittlere Geschwindigkeit liegt bei Zimmertemperatur bei ungefähr einem Kilometer pro Sekunde. Im Wellenbild von de Broglie müssen wir das Gas durch eine Überlagerung von vielen monochro­matischen Wellen verschiedener Frequenzen beschreiben. Ein gewöhnliches Gas ist also das materielle Gegenstück zum Licht einer thermischen Strahlungsquelle.

Die Geschwindigkeit von Gasmolekülen folgt der Maxwell-Boltzmann-Verteilung

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Ein klassisches Gas kann man als materielles Gegenstück einer thermischen Lichtquelle auffassen. James Clerk Maxwell und Ludwig Boltzmann fanden bereits im 19. Jahrhundert heraus, dass die Geschwindigkeiten von Gasteilchen in einem Kasten (links) einer bestimmten Verteilung (rechts) folgt, deren Breite durch die Temperatur bestimmt ist. Die mittlere Geschwindig­keit liegt bei Zimmertemperatur bei ungefähr bei einem Kilometer pro Sekunde.

Monochromatische Materiewellen

Da liegt es nahe, nach monochromatischen Materie­wellen als Pendant zum Laserstrahl zu fragen, also nach Gas-Ensembles, bei denen sich alle Teilchen mit exakt der gleichen Geschwin­digkeit bewegen. In Analogie zum Farbfilter beim Licht könnten wir einfach Atome, die aus einer kleinen Öffnung in einem mit Gas gefüllten Behälter ausströmen, durch einen Geschwindigkeitsfilter schicken. In der Atomphysik, etwa in der Präzisions­spektro­skopie, sind solche Verfahren weit verbreitet. Doch die extreme Ineffizienz - die meisten Atome werden durch die Filterung aussortiert - setzt dieser Vorgehens­weise enge Grenzen.

Kühlt man eine thermische Lichtquelle, so verschwindet mit Abnahme der spektralen Breite auch die Anzahl der emittierten Photonen. Deshalb ist dies kein geeigneter Weg hin zur Monochromasie. Bei Gasen ist das anders, denn es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen Photonen und Materieteilchen: Für Materieteilchen gilt im Gegensatz zu Photonen eine Erhaltung der Teilchenzahl. Materielle Teilchen können also nicht einfach absorbiert werden und somit verschwinden, wie es bei Photonen möglich ist. Die Kühlung von Gasen ist zwar beschwerlich, denn die anzupeilenden Temperaturen sind außerordentlich gering, aber überraschender weise kommt uns die Natur ein Stück entgegen. Die Gasteilchen sind als Quantenobjekte nämlich ununterscheidbar. Das führt dazu, dass die angestrebte Monochro masie bereits bei viel höheren Temperaturen erreicht wird als es für unterscheidbare Teilchen der Fall wäre. Dieser Umstand ist Albert Einstein als erstem aufgefallen, als er eine ihm von dem indischen Physiker Satyendranath Bose zugesandte Arbeit über die Statistik ununterscheidbarer Teilchen las. Deshalb bezeichnen wir dieses Phänomen heute als Bose-Einstein-Kondensation.

Phasenübergänge eines Gases bei hoher und bei geringer Dichte

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Kühlt man ein Gas (z. B. Wasserdampf) ab, so kommt es normalerweise zur Kondensation, also zur Verflüssigung (Wasser) und schließlich Verfestigung (Eis). Dazu sind Stöße von mindestens drei Gasteilchen nötig, denn die bei der Bindung von zwei Teilchen frei werdende Energie muss irgendwie abgeführt werden. Ist die Dichte so klein, dass solche Dreikörperstöße unwahrscheinlich sind, kann das Gas bis zu sehr tiefen Temperaturen gasförmig bleiben. Der Quantenphysik zufolge haben die Gasteilchen Wellen­eigen­schaften. Jedes Gasteilchen wird durch ein Paket aus Wellen verschiedener Wellen­längen beschrieben. Die zentrale Wellenlänge ist umgekehrt proportional zur mittleren Geschwindigkeit der Gasteilchen. Sie wird als thermische de Broglie-Wellenlänge bezeichnet zu Ehren des französischen Physikers Luis Victor de Broglie, der als erster auch Materie Welleneigenschaften zuschrieb. Die Ausdehnung eines solchen Wellenpakets ist ungefähr durch die thermische de Broglie-Wellenlänge gegeben. Mit sinkender Temperatur, und somit sinkender mittlerer Geschwindigkeit der Gasteilchen, wächst die thermische de Broglie-Wellenlänge, bis sich die Wellenpakete zu überlappen beginnen. Die Teilchen werden dadurch gezwungen, zu interferieren, das heißt sich gegenseitig zu verstärken und auszulöschen, so wie wir es vom Licht kennen. Dies führt dazu, dass die Gasteilchen sich in zwei Fraktionen aufteilen. Es gehen genau so viele Teilchen in den Zustand niedrigster Energie (den Grund­zustand) über und bilden ein Bose-Einstein-Kondensat, dass es für die übrigen thermischen Atome gerade nicht mehr zur Überlappung der Wellenpakete kommt.

1995 gelang es erstmals, dieses Verfahren in der Praxis anzuwenden: Die Bose-Einstein-Kondensation verdünnter Gase macht es möglich, nahezu perfekt monochro­matische Gas-Ensembles mit bis zu zehn Millionen Atomen zu erzeugen.

Doch auch dafür müssen die Forscher im Labor noch eine Temperatur von wenigen hundert Nanokelvin (1 Nanokelvin = 1 Milliardstel Kelvin) über dem absoluten Nullpunkt realisieren - keine leichte Aufgabe. Die entscheidende Technik dafür ist die Kühlung mit Laserlicht, für die es 1997 einen Nobelpreis gab. Die Laserkühlung bringt das Gas von Zimmertemperatur auf einige Millionstel Kelvin, das sind acht Größen­ordnungen. Nur der allerletzte Kühlschritt, bei dem die Temperatur nochmals um eine Größenordnung verringert wird, beruht auf Verdampfung, einer Methode, die allen Liebhabern heißer Getränke bekannt sein dürfte. Die abdampfenden Atome nehmen hier mehr Bewegungsenergie mit als einem durchschnittlichen Atom des Ensembles im Mittel zukommt. Damit sinkt die mittlere Bewegungsenergie pro zurück­gebliebenem Atom und somit auch die Tempe­ratur.

Atomlaser aus Bose-Einstein-Kondensaten?

Abkühlung und Bose-Einstein-Kondensation von Gasen bilden also eine erfolgreiche Methode zur Herstellung monochromatischer Materiewellen. Und sowohl in den Medien als auch in der Physik werden Bose-Einstein-Kondensate, die aus magnetischen Fallen herauströpfeln, gern als Atomlaser bezeichnet. Tatsächlich handelt es sich dabei um eine nahezu kohärente Materiewelle, wenn auch mit einer extrem geringen Intensität. Mit einem Laser im eigentlichen Sinn hat dies allerdings recht wenig zu tun. Denn die Bezeichnung «Laser» steht für «Light Ampflication by Stimulated Emission of Radiation» - also: Verstärkung des Lichts durch stimulierte Emission von Strahlung. Und von einer stimulierten Emission von Atomen kann bei einem Bose-Einstein-Kondensat keine Rede sein. Das schlägt sich auch in ihrer weit hinter dem Laser zurückbleibenden Effizienz nieder.

Die Beliebtheit des Begriffs Atomlaser verdanken wir wahrscheinlich zwei Umständen: Laser sind heute zwar allgegenwärtig, aber dennoch für viele ein Mythos, wie etwa die Laserschwerter der Yedi-Ritter im «Krieg der Sterne» zeigen. Und «Atom» wird irrtümlicherweise von vielen mit dem Atomkraftwerk und der Atombombe assoziiert, zwei folgenschweren Erfindungen, die unser aller Leben verändert haben. Dabei sollten wir besser von Kernkraftwerken und Kernbomben sprechen. Die meisten Physiker stören sich nicht weiter an diesen Missverständnissen, denn Presserummel ist bekanntlich die Währung des Erfolgs.

Stimulierte Emission von Materiewellen

Interessanterweise ist ein dem Laser nachempfundener Prozess zur Produktion monochromatischer Materie­wellen durch stimulierte Emission durchaus vorstellbar und mit der Aussicht auf eine der Bose-Einstein-Kondensation weit überlegene Effizienz verbunden. Denn das Prinzip der stimulierten Emission gilt nicht nur für Photonen, sondern für alle ununterscheidbaren Quantenteilchen, die zur Klasse der (nach Bose benannten) Bosonen gehören, also derjenigen Teilchen, die sich den gleichen Quantenzustand teilen können. Theoretische Vorschläge für einen echten Atomlaser findet man bereits in der Literatur und auch experimentelle Arbeitsgruppen haben sich des Themas angenommen.

Stimulierte Emission beim Licht- und beim Atomlaser

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Oben: Der Lichtlaser nutzt das Prinzip der stimulierten Emission. Strahlt man passendes (resonantes) Licht auf ein angeregtes Atom (oder Molekül) ein, so wird das Licht verstärkt. Das angeregte Atom kehrt in den Grundzustand zurück und gibt dabei ein Photon ab, welches sich in den Photonenstrom des eingestrahlten Lichtstrahls einreiht. Durch Rückführung des verstärkten Lichtstrahls mit Hilfe von Spiegeln (man bezeichnet den von Spiegeln umgebenen Raum als Resonator) schaukelt sich der Verstärkungsprozess auf und ein intensives monochromatisches Lichtfeld entsteht im Resonator. Es müssen ständig angeregte Atome bereitgestellt werden, um den Prozess aufrecht zu erhalten. Ist einer der Spiegel ein wenig durchlässig, so kann dort ein kohärenter Lichtstrahl aus dem Resonator austreten, der Laserstrahl.

Unten: Eine mögliche Variante eines Materiewellen-Lasers beruht auf einem lichtgesteuerten stimulierten Verstärkungsprozess für Materie. Dabei wird ein Strahl von Atomen in einem angeregten, aber langlebigen elektronischen Niveau präpariert und durch eine Atomfalle (Ellipse) geschickt, welche nur Atome im elektronischen Grundzustand festhält. Mittels Einstrahlung von Laserlicht (gelber Pfeil) werden die angeregten Atome bei ihrer Bewegung durch die Atomfalle in ein kurzlebiges Zwischenniveau gepumpt, von wo aus sie unter spontaner Abgabe von Photonen (blaue geschlängelte Pfeile) in den gefangenen elektronischen Grundzustand zerfallen. Aufgrund ihres bosonischen Charakters ordnen sich die neu hinzukommenden Atome perfekt in die Bewegung der schon in der Atomfalle vorhandenen Atome ein, sodass sich bei hinreichend großer Rate von Neuzugängen eine kohärente Materiewelle aufbaut, bei der sich alle Atome im Gleichschritt bewegen. Durch eine Öffnung in der Atomfalle lässt man eine kohärente Materiewelle entweichen. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, dass bereits gefangene Atome durch Stoß mit einem angeregten Atom oder durch Aufnahme eines der spontan ausgesandten Photonen aus der Atomfalle heraus­ geworfen werden können. Diese Verluste können den Aufbau einer kohärenten Materiewelle verhindern. In der Sprache der Lasertechnik würde man sagen: Der Laser kommt nicht über die Schwelle.

Ein besonders heiß diskutierter Vorschlag beruht auf einem stimulierten Verstärkungs­prozess, der durch Licht gesteuert wird. Dabei wird ein Strahl von Atomen in einem angeregten, aber langlebigen elektronischen Niveau präpariert und durch eine Atomfalle geschickt, welche nur Atome im elektronischen Grundzustand festhält. Eingestrahltes Licht pumpt die angeregten Atome bei ihrer Durchquerung der Atomfalle in ein kurzlebiges Zwischenniveau, von wo aus sie unter spontaner Abgabe von Photonen in den elektronischen Grundzustand zerfallen und eingefangen werden. Aufgrund ihres bosonische Charakters ordnen sich die neu hinzukommenden Atome perfekt in die Bewegung der schon in der Atomfalle vorhandenen Atome ein, sodass sich bei hinreichend großer Rate von Neuzugängen eine kohärente Materiewelle aufbauen kann, bei der sich alle Atome im Gleichschritt bewegen. Durch eine Öffnung in der Atomfalle kann dann eine kohärente Materiewelle als Nutzstrahl entweichen.

Noch aber ist die experimentelle Verwirklichung einer laserartigen Quelle für intensive monochro­matische Materie­wellen nicht in Sicht. Die Hauptschwierigkeit bei dem zuvor erwähnten Schema besteht darin, dass bereits gefangene Atome durch Stöße mit angeregten Atomen oder durch Aufnahme eines der ausgesandten Photonen aus der Atomfalle heraus­ geworfen werden können. Das reduziert die Ladeeffizienz so stark, dass sich keine kohärente Materiewelle aufbauen kann. In der Sprache der Lasertechnik würde man sagen: Der Laser kommt nicht über die Schwelle.

Und so können wir die anfangs aufgeworfenen Fragen beantworten: Noch gibt es ihn nicht, den Laser für Atome. Und über mögliche Anwendungen können wir derzeit nur spekulieren. Was wir heute in den Physiklabors erzeugen können, sind sehr dünne kohärente Materiewellen in Form von Bose-Einstein-Kondensaten, die sich aufgrund ihrer Masse für interfero­metrische Gravitations- und Beschleunigungs­detektoren verwenden lassen. Dazu gibt es bereits erste Experimente, die aber noch nicht ganz an die Empfindlichkeit und Praktikabilität alternativer Methoden herankommen.