Quantenratsche kann Atome verschieben

Ratschen, mit denen man auf Fußballspielen oder Demonstrationen ordentlich Krach machen kann, zwingen zufällige Bewegungen in eine bestimmte Richtung. Das geht auch mit quantenmechanischen Systemen, zum Beispiel mit Atomen in einem optischen Lichtgitter, wie Physiker jetzt zeigen konnten.

Bose-Einstein-Kondensat im optischen Gitter.
Bose-Einstein-Kondensat im optischen Gitter.

Bonn - Wissenschaftlern um Martin Weitz vom Bonner Institut für Angewandte Physik ist es erstmals gelungen theoretische Überlegungen zu einer Quantenratsche experimentell zu bestätigen. In der Natur kommt der Ratscheneffekt beispielsweise in biologischen Motoren vor, die in der Zelle chemische Energie in gerichtete mechanische Bewegung umsetzen. Aber auch auf noch kleineren Längenskalen wurde der Ratscheneffekt jetzt erfolgreich nachgewiesen. In einem sogenannten optischen Gitter aus sich überlagernden Lichtwellen konnten die Physiker Atome, die sich in einem speziellen quantenmechanischen Zustand, dem des Bose-Einstein-Kondensats befanden, mithilfe eines Ratschenpotentials bewegen und diese Bewegung messen.

Dazu waren zwei Dinge notwendig: das Stehwellenfeld, das das optische Gitter durch Interferenz zweier Lichtwellen erzeugte, musste die räumliche und zeitliche Symmetrie brechen, damit ein gerichteter Transport möglich wurde. Das gelang indem ein räumliches Sägezahnprofil, das aus Lichtwellen verschiedener Wellenlänge bestand, erzeugt wurde. Die zeitliche Symmetrie wurde über eine Phasenverschiebung zwischen den Laserwellen, die das Lichtgitter erzeugten, gestört. Solch eine Asymmetrie spielt auch bei der lärmenden Spielzeug-Ratsche eine Rolle, der Rotor kann sich nur in eine Richtung bewegen, die andere ist gesperrt. In dieses Lichtwellenfeld gaben die Forscher nun ihre Rubidium-Atome, die zu einem Bose-Einstein-Kondensat gekühlt waren.

„Unter diesen Bedingungen setzte sich unser Rubidium-Haufen in Bewegung. Anders als bei einer Spielzeugratsche waren aber nicht die Reibungkräfte für diese Bewegung verantwortlich, sondern einzig und allein quantenmechanische Effekte.“

Das Bonner Experiment beweist erstmals, dass dieses theoretisch vorhergesagte Phänomen auch tatsächlich auftritt. „In ferner Zukunft gewinnt unsere Beobachtung aber vielleicht auch praktische Bedeutung“, betont Weitz. „Sie zeigt nämlich, dass bei der Konstruktion von atomaren Motoren quantenmechanische Effekte auftreten können, die wir aus unserer makroskopischen Welt nicht kennen.“