Heiße Gase lassen sich durch Laserbeschuss rasant abkühlen - Forscher erwarten neue Anwendungen

Thermoblick in den Laserkühlschrank

Bonn - Um ganze 70 Grad fällt die Temperatur in nur wenigen Sekunden: Diese rasante Kühlung gelang nun Bonner Physikern mit Lasern, die sie auf eine heiße Gaswolke lenkten. Damit setzten sie eine bereits in der 1970er Jahren ersonnene Theorie für eine neue Laserkühlungs-Methode erstmals in die Tat um. Die Ergebnisse, die zur Konstruktion von völlig neuartigen Mini-Kühlschränken führen könnte, präsentieren sie in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Nature".

"Eventuell lassen sich mit dieser Methode sogar Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erreichen", sagt Martin Weitz, Professor am Institut für Angewandte Physiker der Universität Bonn. Zusammen mit seinem Kollegen Ulrich Vogl füllte er in eine winzige Kammer eine Wolke aus dem Edelgas Argon und Rubidiumatomen. Sie schossen infrarotes Laserlicht mit einer Wellenlänge von 820 Nanometern auf die 350° heiße Gaswolke, die unter einem hohen Druck von 230 bar stand. Binnen weniger Sekunden konnten sie darauf eine Abkühlung von etwa 70 Grad messen.

Eigentlich klingt es paradox, dass mit energiereichen Laserblitzen eine Gaswolke abgekühlt werden kann. Doch der Grund liegt in der genauen Abstimmung der Wellenlänge. Wegen des hohen Drucks stoßen die Argon- und Rubidiumatome oft zusammen. "Dabei verbiegen sich die Elektronenbahnen der Teilchen", sagt Weitz. Genau in diesem Moment schaffen es die Laserblitze, ein Elektron aus einer inneren Bahn auf eine äußere zu heben. Doch auch ohne Lichteinfall will dieses Elektron möglichst auf seiner äußeren, nach dem Zusammenstoß wieder normalisierten Bahn bleiben. Dazu benötigt es Energie, die es aus der warmen Umgebung abzieht. Die Folge: Die Atome werden langsamer und das Gas kühlt sich dadurch ab.

Zwar gibt es bereits Methoden, in denen Laser zur Abkühlung von Proben genutzt wird. Doch diese funktionieren nicht bei so stark verdichteten Gasen wie in diesem Experiment. "Ich halte neuartige Kühlschränke für Anwendungen im Labor und für die Spektroskopie für möglich", sagt Weitz. Da die Laser sogar ein rasantes Schockfrosten von Gasen erlauben, wäre die Methode für Materialforscher interessant. Denn wenn die Temperatur schnell genug gesenkt werden, verharren Gase in ihrem ursprünglichen Aggregatzustand, obwohl sie sich eigentlich schon verflüssigt haben müssten. Selbst Wasser im flüssigen Zustand ließe sich bis auf minus 42 Grad abkühlen, ohne das es zu Eis erstarrt. Diese unterkühlten Gase und Flüssigkeiten zeigen neue Eigenschaften, die zu einem besseren Verständnis der Stoffe führen könnten.