Dass Licht entgegen unserer Intuition nicht immer mit Wärme gleichzusetzen ist, macht sich die Quantenphysik bei der Erforschung von Atomen und deren Eigenschaften zunutze. Der Arbeitsgruppe Atomoptik am Institut für Laserphysik der Universität Hamburg ist es nun gelungen, mit Licht Gas-Atome so stark herunter zu kühlen, dass sie sich zu einer Materiewelle zusammenschließen. Das berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals Science. Das Gas ist dann mehr als 10 Millionen Mal kälter als der Weltraum, in dem ungefähr drei Grad über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad) herrschen.
In dem Versuchsaufbau wird Laserlicht in einem sogenannten optischen Resonator, also zwischen zwei exakt justierten Spiegeln, hin und her reflektiert. Trifft es auf die Atome eines Gases, werden diese gebremst und somit das gesamte Gas abgekühlt. Im Kontrast zu bisherigen Lichtkühlmethoden ist das neue Verfahren auch bei vergleichsweise hohen Gasdichten wirksam, und es ist zudem nahezu unabhängig von der verwendeten Sorte von Gasteilchen. Durch die Kombination von hohen Dichten und tiefen Temperaturen entwickeln alle Gas-Atome dieselben physikalischen Eigenschaften und bewegen sich nicht mehr „unordentlich“ durcheinander, sondern schwingen gemeinsam. Durch dieses „Marschieren im Gleichschritt“ verhalten sie sich wie ein einziges „Superatom“ – ein Zustand, der nach den Physikern Satyendra Nath Bose und Albert Einstein als Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet wird. Er manifestiert sich durch ausgeprägte Welleneigenschaften.

„Das Wechselspiel zwischen Licht- und Materieteilchen erlaubt tiefe Einblicke in die Welt der Quantenphysik und ist hochinteressant für die Grundlagenforschung“, erklärt Professor Dr. Andreas Hemmerich, Leiter der Arbeitsgruppe Atomoptik, „aber auch Anwendungen sind denkbar. Das neue Lichtkühlverfahren hat das Potential, viel effizienter als bisher Materiewellen zu erzeugen, was in vielen Bereichen der modernen Quantentechnologie von großem Interesse ist.“ Es könnte etwa als Grundbaustein zur Entwicklung eines Atomlasers beitragen, dessen Strahl nicht aus einfarbigem Licht, sondern aus Materiewellen besteht. Damit wären Messungen von bisher unerreichter Genauigkeit und Empfindlichkeit möglich – zum Beispiel im Bereich der Rotations- und Gravitationsbeschleunigung, der Nanotechnologie oder der Oberflächenphysik.

Die neuen Forschungsergebnisse wurden im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereichs „Lichtinduzierte Dynamik und Kontrolle korrelierter Quantensysteme“ erzielt. Hier können auch Studierende im Rahmen von Bachelor- und Master-Arbeiten an aktueller Forschung teilnehmen und direkt mit den Forscherinnen und Forschern aus Hamburg sowie mit internationalen Gästen zusammenarbeiten und diskutieren.


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Quelle: Universität Hamburg (07/2012)