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Rubrik: Science Life

100 Atome bei tiefsten Temperaturen: Quantenoptiker stellen eindimensionales Bose-Einstein-Kondensat her
Eingefroren

Published: 26.02.2004 06:00
Modified: 25.02.2004 14:18
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Die Rubidiumatome haben ihre individuelle Identität verloren und sind zu einem einzigen Klumpen kollabiert: zu einem Superatom. So lässt sich der Zustand beschreiben, den Atome in einem Bose-Einstein-Kondensat einnehmen. Am ETH-Institut für Quantenelektronik arbeiten die Forscher mit solchen Kondensaten. Nun ist es den ETH-Physikern gelungen, erstmals ein eindimensionales Atomgas herzustellen. Ein Besuch im Labor.



Von Michael Breu (mailto:breu@cc.ethz.ch)

Draussen ist es kalt. Die Temperatur pendelt um 273 Kelvin, um den Gefrierpunkt, wie Nichtphysiker sagen. Drinnen, im HPF-Bau auf dem Hönggerberg, ist es bedeutend wärmer; man hält es locker im dünnen Pulli aus. Auch im Untergeschoss. Dort befindet sich eine Apparatur in der es wirklich kalt ist. Denn die Temperatur im Innern der silbrig glänzenden Kältefalle liegt bei 200 Nanokelvin, bei 0,0000002 „Grad“ über dem absoluten Nullpunkt, sozusagen kälter als Megakalt.

Fermi-Gase und Bose-Einstein-Kondensate

Hier im UG arbeitet Michael Köhl. Er ist Postdoktorand am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich (1) . Der 28-jährige Marburger hat in Heidelberg Physik studiert, am MIT unter Nobelpreisträger Wolfgang Ketterle die Diplomarbeit begonnen, sie an der Uni Frankfurt beendet und anschliessend die Dissertation geschrieben bei Theodor W. Hänsch am Max Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München. Seit knapp drei Jahren forscht er nun bei Tilman Esslinger, einer weiteren herausragenden Wissenschafterpersönlichkeit im Bereich Quantenoptik, und er lebt in Zürich. Auf halbem Weg zum Hönggerberg. Denn an der kalten Apparatur im Untergeschoss des HPF ist er oft anzutreffen, teilweise bis tief in die Nacht hinein, und da ist es gut, wenn der Nachhauseweg kurz ist.

„Ultrakalte Fermi-Gase, Bose-Einstein-Kondensation und Atomlaser“: Das sind seine Lieblingsthemen im Labor. Und die beherrscht er. Erst kürzlich hat Michael Köhl mit einer Publikation in den „Physical Review Letters“ auf sich aufmerksam gemacht, die er zusammen mit Henning Moritz, Thilo Stöferle und Tilman Esslinger verfasste (2) . Darin berichten die Physiker über die Herstellung und die Untersuchung eines eindimensionalen Gases.

Laserlicht zum kühlen: Wenn die Photonen an den Atomen abprallen, entzieht sie Energie.

Michael Köhl ahnt es, er kratzt sich am Kopf, fährt mit der Hand durchs Haar und steht auf: „Einen Moment, ich hole mein Laptop“. Die Harddisk brummt, der Bildschirm fährt hoch. Die Lektion für den Nichtphysiker beginnt. Am besten bei A, dem Anfang.

Von der Hypothese zum Nobelpreis

Wir schreiben das Jahr 1924. Der Inder Satyendra Nath Bose, damals Dozent an der Dhaka University in Bangladesh, stellt in der Zeitschrift für Physik die so genannte „Lichtquantenhypothese“ auf. Sie findet Anklang, vor allem bei Albert Einstein, der in einem Vortrag vor der preussischen Akademie der Wissenschaften folgendes sagt: „Boses Ableitung der Planckschen Formel bedeutet meiner Meinung nach einen wichtigen Fortschritt. Die hier benutzte Methode liefert auch die Quantenmechanik des idealen Gases.“ Wenig später legt Einstein eine überarbeitete, auf Boses Erklärung basierende Hypothese vor, welche das Bose-Einstein-Kondensat erstmals beschreibt.

Mehrere Monate brauchten die Physiker und Techniker der ETH, um die vielen Spiegel, Linsen und Laser mit den Messanlagen zu verbinden.

Zeitsprung. 5. Juni 1995 im Labor von Carl E. Wieman und Eric A. Cornell an der University of Colorado in Boulder. Die beiden Physiker kühlen ein Rubidiumgas so stark ab, dass die Atome mehr oder weniger still stehen. Vor der Kamera passiert seltsames: Etwa 2000 Atome vereinigen sich zu einer Einheit, die weder flüssig noch gasförmig noch fest ist.

0,0000002 „Grad“ über dem absoluten Nullpunkt: Inmitten der komplexen Anordnung steht die Kühlfalle, in der das Bose-Einstein-Kondensat erzeugt wird.

Was die beiden Physiker beobachten, ist die Bestätigung der Bose-Einstein-Hypothese, ein Kondensat mit neuen physikalischen Eigenschaften. „Der heilige Gral der Quantenphysik ist gelüftet“, berichten daraufhin die Medien. Vier Monate später bestätigt Wolfgang Ketterle die Resultate, und im Jahr 2001 werden Wieman, Cornell und Ketterle mit dem Physik-Nobelpreis geehrt. Auch Michael Köhl spricht von der bahnbrechenden Erkenntnis, „es war genial, was die Physiker da leisteten“, sagt er.

"Heisse" Atome verdampfen

Die Lektion geht weiter, das ETH-Experiment rückt nun in den Vordergrund der Ausführungen. „Wenn Licht auf einen Gegenstand strahlt, so wird er wärmer; das Licht wird absorbiert und in Wärme umgewandelt“, erklärt der 28-Jährige. Lasse man das Licht jedoch vom Atom abprallen, was mit einem Laser möglich ist, so kühle sich das Atom ab während das Licht an Energie gewinne. „Laserkühlen heisst diese Technik, mit der man eine Temperatur von 100 Mikrokelvin erreicht. Wir brauchen aber nochmals eine um den Faktor tausend geringere Temperatur.“ Nun kommt ein weiteres Verfahren zum Zuge, die Verdampfungskühlung in einer Magnetfalle. Das Prinzip lässt sich mit einer heissen Tasse Kaffee vergleichen, erklärt Köhl und schaut auf die laut scheppernde Kaffeemaschine, die in der Ecke steht: „Wenn die Wassermoleküle verdampfen, nehmen sie Energie mit. Die zurückbleibenden Moleküle sind dann kälter, weil sie Energie verloren haben.“ In der Magnetfalle passiert etwas Ähnliches: die „heissesten“ Atome werden „verdampft“, und dadurch wird den verbleibenden Atomen Energie entzogen. So kann man die Temperatur nochmals drastisch senken.

Mit dem knapp über den absoluten Nullpunkt abgekühlten Rubidiumgas wurde zuerst ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugt, welches in einem zweiten Schritt einem Laserfeld ausgesetzt wurde. Das Laserlicht bildete sodann ein Gitter von tausenden, parallel orientierten Nanoröhrchen aus Rubidiumatomen. Bild: Physical Review Letters

Nun hat man also ein Bose-Einstein-Kondensat. Die Atome haben in diesem Zustand alle die gleichen physikalischen Eigenschaften, die gleichen Aufenthaltsorte, die gleiche Energie, dieselbe Geschwindigkeit. Verglichen mit einem „normalen“ Gas verhalten sich die Atome im Bose-Einstein-Gas auch alle gleich. „Das kann man nutzen“, erklärt Michael Köhl, zum Beispiel in der Atomoptik, in der Atominterferometrie oder für präzisere Atomuhren. Alle diese Bereiche beschäftigen sich mit Präzisionsmessungen an Quantensystemen.

Ein einzelnes Atom auf dem Untersuchungstisch

Die ETH-Forscher gehen mit dem Bose-Einstein-Kondensat noch einen Schritt weiter. Die kondensierten Rubidiumatome haben sie vorsichtig in ein Laserfeld mit ausgeklügelter Geometrie geladen. „Das Laserlicht bildet ein Gitter von tausenden, parallel orientierten Nanoröhrchen, in denen sich die Atome nur noch entlang der Röhrenachsen bewegen können. In jedem einzelnen Röhrchen befinden sich weniger als 100 Atome, deren Eigenschaften wir studieren“, erklärt Köhl und blickt auf die komplizierte Apparatur, die auf einen luftkissengepolsterten Tisch geschraubt ist. Mehrere Monate haben die Physiker und Techniker des ETH-Institutes daran gearbeitet, haben Linsen festgeschraubt und Kabel mit Messanlagen verbunden – eine Arbeit, die viel Fingerspitzengefühl erfordert.

Gleich nebenan steht ein weiterer Tisch – die Apparaturen gleichen sich auf den ersten Blick. Mit der zweiten, unfertigen Anlage wollen die Physiker noch weiter in die Tiefe vordringen. „Ein einzelnes Atom festzuhalten und es zu beobachten, das wäre schön“, sagt Michael Köhl.

References:
Eine gute Einführung für Nichtphysiker gibt die Homepage des Max Planck-Instituts für Quantenoptik: www.mpq.mpg.de/~haensch/html/what_s_new.html
Zum gleichen Thema sind in ETH Life folgende Berichte erschienen: am 23. Januar 2001 „Ordnung in der Quantensuppe“: www.ethlife.ethz.ch/articles/BoseEinsteinKondens.html und am 2. Mai 2003 „Einsteins Voraussage bestätigt“: www.ethlife.ethz.ch/articles/BoseEinstein2.html

Footnotes:
(1) Quantenoptik-Gruppe am Institut für Quantenelektronik, : http://www.quantumoptics.ethz.ch
(2) „Exciting Collective Oscillations in a Trapped 1D Gas“, Physical Review Letters, 2003, 91, 250402. Kommentiert wurde der Beitrag in „Physics News Update“ unter dem Titel “A True One-Dimensional Atomic System”: www.aip.org/enews/physnews/2003/split/666-2.html


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