Forscher rücken dem absoluten Nullpunkt näher

Quantenkühlung

Cambridge (USA) – Schon heute kommen Physiker im Labor dem absoluten Nullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius bis auf wenige Milliardstel Grad sehr nahe. Noch kälter könnte es mit einer neuen Kühlmethode werden, die deutsche und amerikanische Forscher nun entwickelt haben. Über ein geschicktes Quantenverfahren können sie einer bereits tiefkalten Gaswolke Energie entziehen, indem sie die Entropie – ein Maß für die Unordnung eines Quantensystems – gezielt verringern. Ihr Verfahren, über das sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten, könnte der Entwicklung neuer Supraleiter und dem Bau von extrem leistungsfähigen Quantencomputern von Nutzen sein.

„Für die nächste Generation von Quantenmaterialien haben wir eine neue, smarte Kühltechnik demonstriert, die über Quantenoperationen die Temperatur von ultrakalten Atomen weiter senken kann“, sagt Markus Greiner, Leiter der Arbeitsgruppe an der Harvard University in Cambridge. Über eine geschickte Anordnung von Lasern schuf sein Team winzige Fallen für Rubidiumatome. Dabei bekamen einzelne Atom wie die Eier in einem Karton eine eigene Mulde zugeordnet. Mit Laserpulsen konnten diese Atome gezielt angeregt werden und einen Teil ihrer Energie – oder genauer ihrer Entropie – auf andere Atome übertragen. Diese entfleuchten daraufhin mitsamt der übertragenden Energie aus dem Quantensytem. Zurück blieben einzelne, gefangene Atome, die so potenziell bis auf einige billionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden könnten.

Derart tiefgekühlte Atome offenbaren den Physikern ein grundlegend anderes Verhalten als schnell bewegliche, wärmere Atome. Damit lassen sich nicht nur neue Quanteneffekte im Labor untersuchen. Auch für den Bau von extrem leistungsfähigen Quantencomputern könnte die neue Kühltechnik – Orbitale Anregungsblockade genannt – weitere Impulse liefern. „Das Erreichen von Billionstel Grad ist ein wichtiges Ziel für gefangene Atome, das durch die Technik dieser Autoren erreicht werden könnte“, beurteilt Gretchen K. Campbell von der University of Maryland die Bedeutung der neuen Kühltechnik.