Magneto-optische Fallen

Will man die Quanteneigenschaften von Atomen erforschen, müssen diese auf ein millionstel Grad über den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Stephan Dürr vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching erklärte im Podcast, wie sich solche tiefen Temperaturen mithilfe von magneto-optischen Fallen erreichen lassen. Hier finden Sie den Beitrag zum Nachlesen.

Die Atome in einem Gas bei Raumtemperatur bewegen sich mit Geschwindigkeiten bis zu einigen Hundert Metern pro Sekunde. Bei solch hohen Geschwindigkeiten stoßen die Atome des Gases ständig zusammen und beeinflussen sich so gegenseitig. Wollen Physiker die Quanteneigenschaften dieser Atome ungestört untersuchen, müssen sie daher die Teilchen stark abbremsen. Dazu fangen die Forscher das Gas beispielsweise in einer magneto-optischen Falle ein: eine Vakuumkammer, umgeben von Lasern und Magnetspulen, die von der Außenwelt möglichst gut isoliert ist. Hierin kühlen sie die Atome bis kurz vor den absoluten Nullpunkt auf minus 273 Grad Celsius herunter.

Stephan Dürr: „Der Kühlungsprozess funktioniert dadurch, dass man sich darauf rückbesinnt, dass Wärme bedeutet, dass Teilchen sich zufällig bewegen. Und je wärmer etwas ist, desto schneller ist diese Zufallsbewegung. Wenn es also gelingt, die Geschwindigkeit dieser Zufallsbewegung zu reduzieren, dann ist das effektiv ein Kühlverfahren.”

Stephan Dürr

Um die Gasatome abzubremsen, setzen die Forscher Laserlicht ein und machen sich ein grundlegendes Prinzip der Physik zunutze – den Dopplereffekt: Bewegt sich eine Licht- oder Schallquelle auf uns zu, erreichen uns etwas höhere Frequenzen; bewegt sie sich von uns weg, messen wir geringfügig niedrigere Frequenzen. Gleiches gilt für die Atome, die sich in der Falle relativ zum Laser bewegen. Da die Atome das Laserlicht nur bei ganz bestimmten Frequenzen absorbieren, können die Forscher durch die Wellenlänge des Laserlichts genau steuern, welche Atome die Lichtteilchen absorbieren – zum Beispiel alle, die sich auf den Strahl zubewegen. Haben diese Teilchen ein Photon absorbiert, senden sie kurz darauf wieder ein Lichtquant mit derselben Frequenz aus – allerdings in eine zufällige Richtung. Aufgrund der Impulserhaltung erhält das Teilchen einen kleinen Rückstoß, wenn es ein Photon absorbiert. Es erhält aber auch einen Rückstoß, wenn es anschließend ein Lichtquant wieder aussendet. Da das Teilchen die Photonen immer nur aus einer Richtung absorbiert, aber in alle möglichen Richtungen aussendet, wird es dadurch abgebremst.

„Wenn man zwei entgegen gerichtete Laserstrahlen einstrahlt, dann werden die Atome, die sich nach rechts bewegen vor allem Laserlicht, das von rechts kommt, absorbieren. Bei den sich nach links bewegenden Atomen ist es umgekehrt: Sie werden vor allem Laserlicht absorbieren, das von links kommt. Dadurch geht die Kraft immer der Bewegungsrichtung entgegen und das gibt eine Bremskraft.”

Verantwortlich dafür ist die Impulserhaltung, die sich zum Beispiel auch in jedem Billardspiel beobachten lässt. Schießt man eine Billardkugel direkt auf eine andere, ruhende Billardkugel derselben Masse, wird diese anschließend mit der gleichen Geschwindigkeit weiterrollen, während die erste Billardkugel stillsteht. Laserkühlung funktioniert nach dem gleichen Prinzip.

„Man schießt also nicht mit einer Billardkugel auf eine gleich schwere Billardkugel, sondern man schießt mit einer Million Pingpongbällen auf eine Billardkugel. Jeder einzelne Pingpongball übt nur einen sehr geringen Effekt aus, aber in der Summe sieht das schon ganz anders aus: Wenn man eine Million Pingpongbälle auf die Billardkugel schießt, hat das einen ganz erheblichen Effekt.”

Eine Falle in drei Dimensionen

Übertragen auf die Atome bedeutet das: Innerhalb einer Sekunde lässt sich ein Gas mit Raumtemperatur per Laserkühlung auf ein millionstel Grad über den absoluten Nullpunkt abkühlen. Dabei ist die Größe der Falle variabel. Die größten Fallen kühlen bis zu zehn Milliarden Teilchen, die dann ein Volumen von rund einem Kubikmillimeter füllen. Aber auch einzelne Atome lassen sich ausbremsen. Ein Wasserstoffatom bewegt sich nach der Kühlung beispielsweise nur noch mit einer Geschwindigkeit von weniger als einem Kilometer pro Stunde. Für ein Gas ist das zwar extrem langsam, trotzdem würden die Atome ohne einen Speichermechanismus langsam aus dem Kreuzungspunkt der Laserstrahlen herausdriften.

Prinzip der Laserkühlung

„Die Teilchen in dem Volumen, in dem die Laserstrahlen überlappen, werden zwar kalt. Aber dadurch, dass die Zufallsbewegung nicht Null wird, sondern nur sehr gering, bewegen sich die Teilchen langsam zufällig aus dem Strahl wieder heraus. Und in dem Moment werden sie nicht mehr gekühlt und wieder warm, wenn sie das nächste Mal auf die Wand stoßen.”

Um das zu verhindern und das Gas so über einen längeren Zeitraum zu speichern, verwenden die Physiker ein Magnetfeld. Dieses wird stärker, umso größer der Abstand vom eigentlichen Kühlbereich ist. Das Magnetfeld verschiebt die Resonanzfrequenzen des Atoms – also die Frequenzwerte, die es absorbieren kann – umso stärker, je mehr sich ein Teilchen aus dem Kühlbereich entfernt.

„Dadurch werden die Resonanzlinien ortsabhängig. Und das führt dazu, dass der Laser eine Kraft erzeugt, die nicht nur geschwindigkeitsabhängig, sondern auch ortsabhängig ist. Das ruft wiederum eine Art Rückstellkraft hervor, die zur Mitte des Magnetfeldes hin wirkt – denn da ist ein Punkt, an dem das Magnetfeld Null ist. Um diese Rückstellkraft aus allen Richtungen zu erzeugen, muss man in drei Dimensionen kühlen. Und dann kann man eben ein Paar von gegenläufigen Laserstrahlen entlang der x-Achse verwenden, ein zweites Paar entlang der y-Achse und ein drittes Paar entlang der z-Achse. Also mit sechs Laserstrahlen ist man im Geschäft und kann tatsächlich eine dreidimensionale Falle bauen.”

Das Laserlicht kühlt also nicht nur das Gas. Zusammen mit dem Magnetfeld sorgt es auch dafür, dass die Atome da bleiben, wo sie sein sollten – nämlich in der Falle. Nachdem man Ende der 1980er-Jahre die ersten magneto-optischen Fallen testete, gab es 1997 dafür den Nobelpreis. Inzwischen, so schätzt Stephan Dürr, benutzen weltweit viele Hunderte Labors dieses Hilfsmittel – vor allem, wenn Wissenschaftler an Quantenphänomenen forschen.

„Das Problem, das man in vielen Experimenten in der Grundlagenforschung – gerade in der Quantenphysik – hat, ist, dass die thermische Bewegung, also die Zufallsbewegung der Atome, dazu führt, dass viele Effekte der Quantenmechanik durch thermische Bewegung überdeckt oder ausgeschmiert werden, und daher kaum oder gar nicht sichtbar sind. Deshalb spielen Quanteneffekte erst bei geringen Temperaturen wirklich eine entscheidende Rolle und man erhält Systeme, die sich wirklich quantenmechanisch verhalten.”

Supraleitung und Bose-Einstein-Kondensation

Eines dieser Quantenphänomene ist die Supraleitung. Kühlt man bestimmte Materialien nahezu bis auf den absoluten Nullpunkt herunter, werden sie unterhalb der sogenannten Sprungtemperatur supraleitend: Sie leiten den elektrischen Strom ohne jeglichen Widerstand. Auch der Forschungsgegenstand von Stephan Dürr zeigt sich nur bei extrem niedrigen Temperaturen – die Bose-Einstein-Kondensation.

„Bose-Einstein-Kondensation ist ein Effekt, der sehr verwandt ist zur Supraleitung. Die Arbeiten zur Bose-Einstein-Kondensation basieren ganz wesentlich auf magneto-optischen Fallen, denn ohne solche Kühlverfahren ist es extrem schwer, so kalt zu werden, dass man ein Gas tatsächlich so präparieren kann, dass es ein Bose-Einstein-Kondensat wird.”

Ein Bose-Einstein-Kondensat ist ein Aggregatszustand eines Materials, ähnlich wie es als Gas, Flüssigkeit oder Festkörper auftreten kann. Das Bose-Einstein-Kondensat verhält sich wie ein einzelnes, riesiges Superatom: Alle Teilchen befinden sich in demselben Energiezustand und lassen sich somit nicht mehr voneinander unterscheiden. Als solches ist das Kondensat nicht suprafluid, das heißt, seine innere Reibung ist null. Ohne magneto-optische Fallen ließen sich diese Eigenschaften elektrisch neutraler Atome kaum erforschen. Denn anders als elektrisch geladene Teilchen lassen sie sich nicht nur mithilfe von elektrischen und magnetischen Feldern einfangen.