Quantenphysik Kalte Quantenmaterie - eine heiße Sache

So mancher Pionier der Quantenphysik zweifelte noch daran, ob man jemals mit einzelnen Atomen experimentieren könne. Heute werden die Eigenschaften isolierter Atome und Moleküle in vielen Labors intensiv untersucht. Inzwischen gelingt es den Forschern sogar, die Partikeln kontrolliert zur Kollision zu bringen und miteinander reagieren zu lassen. Dadurch kann man quantenmechanische Vorgänge oder den Ablauf chemischer Reaktionen auf der Ebene der Atome genauestens verfolgen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden kürzlich auf einer internationalen Konferenz vorgestellt, zu der Physiker der Universität Innsbruck in die Tiroler Alpen nach Ischgl eingeladen hatten.

Das „heiße“ Forschungsobjekt der Forscher sind dünne Wölkchen aus Atomen, die mit Laserlicht und durch Verdampfung auf Temperaturen von weniger als einem millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gebracht werden. Da sich die Teilchen äußerst langsam bewegen, erstrecken sich ihre Materiewellen über die ganze Wolke. Dadurch können sie ihre Bewegungen aufeinander abstimmen und kollektive Quantenzustände bilden - etwa ein Bose-Einstein-Kondensat, wie es erstmals 1995 verwirklicht wurde. Seither hat sich die Erforschung extrem kalter Gase rasant entwickelt. So lassen sich Atome mit Laserlicht in sogenannten optischen Gittern festhalten und zu einem regelmäßigen räumlichen Muster anordnen. Die Atome bildeten dabei eine Art künstlichen Kristall. Durch geschickte Manipulation der Atome ist es möglich, komplizierte Quantenprozesse, die in realen Kristallen wie Supraleitern oder Magneten ablaufen, nachzubilden und zu studieren.

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Anfangs konnte man nur mit Atomen experimentieren, die zur Klasse der „Bosonen“ zählen. Seit gut zehn Jahren lassen sich auch fermionische Atome so stark abkühlen, dass sie ein quantenmechanisches Verhalten zeigen. Da sie nicht wie bosonische Teilchen ein und denselben Quantenzustand besetzen können, sind fermionische Atome schwieriger zu kontrollieren und zu kühlen. Andererseits kann man mit ihnen künstliche Kristalle herstellen, die den realen kristallinen Systemen recht nahe kommen, da auch Elektronen und Protonen Fermionen sind.

Forscher um Immanuel Bloch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München haben mit Hilfe eines künstlichen Kristalls aus fermionischen Kaliumatomen untersucht, wie sich die Elektronen in einem realen Kristallgitter ausbreiten. Dazu wurde die optische Falle abgeschaltet, mit der man die Atome zunächst an festen Gitterplätzen festhielt. Da zwischen den Atomen keine Kräfte herrschten, flogen sie geradlinig auseinander, wobei sie in bestimmten Richtungen schneller vorankamen als in anderen. Ein Magnetfeld sorgte dafür, dass sich die Atome abstießen. Kollisionen führten dazu, dass sich die Teilchen ungeordnet bewegten und in allen Richtungen gleich schnell vorankamen. Solche Experimente, die mit den Elektronen eines realen Kristalls kaum auszuführen wären, geben neuartige Einblicke in das äußerst komplizierte quantenmechanische Geschehen von Vielteilchensystemen.

Quanteneffekte nicht bemerkbar

Das Magnetfeld lässt sich so variieren, dass sich die Atome anziehen statt abstoßen. Die Anziehung kann so stark werden, dass die Teilchen sich paarweise zu Molekülen zusammenschließen, die dann wiederum mit anderen Atomen oder Molekülen reagieren können. Diese neuartige „Chemie“ nahm auf der Konferenz in Ischgl breiten Raum ein. Bei einer chemischen Reaktion herrscht normalerweise ein unüberschaubares Durcheinander. Die Reaktionspartner befinden sich in zahllosen Zuständen, so dass sich Quanteneffekte nicht bemerkbar machen. Will man solche Einflüsse beobachten, muss man jedes Teilchen vor der Reaktion in einen eindeutigen Quantenzustand befördern, was Deborah Jin von der University of Colorado in Boulder sowie Forscher um Rudi Grimm von der Universität Innsbruck geschafft haben.

Beide Forschergruppen haben zunächst mit einem Magnetfeld extrem kalte Atome behutsam zu Molekülen verbunden in den Grundzustand befördert, in dem die hantelförmigen Moleküle weder Schwingungen noch Rotationen ausführten. Als man anschließend die Aggregate miteinander oder mit einzelnen Atomen kollidieren ließ, konnte man beobachteten, wie jeweils ein Atom in den Molekülen gegen ein anderes ausgetauscht wurde. Die Wahrscheinlichkeit für diese chemischen Reaktionen hing empfindlich davon ab, wie die magnetischen Momente der Atomkerne ausgerichtet waren. Die Forscher um Jin und Grimm konnten so chemische Reaktionen erstmals durch die Quanteneigenschaften der Atomkerne beeinflussen.

Ein universelles Verhalten

Unter bestimmten Bedingungen zeigen chemische Reaktionen zwischen ultrakalten Atomen und Molekülen ein universelles Verhalten. Spezifische Eigenschaften der Reaktionspartner spielen dann keine Rolle mehr. Wie Paul Julienne vom National Institute of Standards and Technology in Maryland erklärte, lässt sich die chemische Reaktion in diesem Fall in zwei Phasen unterteilen: die Kollision der Teilchen und die eigentliche chemische Umwandlung. Wie die Kollision abläuft, wird von den Kräften bestimmt, die die Teilchen aufeinander ausüben, wenn sie einen Abstand von etwa einer „De-Broglie-Wellenlänge“ haben. Das ist die Wellenlänge der Materiewellen, die für ultrakalte Atome oder Moleküle mehrere hundert Nanometer beträgt. In diesem Abstand spüren die Partikeln noch nichts von ihren chemischen Eigenschaften. Diese machen sich erst bemerkbar, wenn der Abstand nur noch etwa einen Nanometer beträgt.

Da man nur wenige Atomsorten auf extrem tiefe Temperaturen kühlen und in einem Magnetfeld behutsam aneinanderkoppeln kann, ist die Auswahl an Molekülen, die man erhält, begrenzt. Insbesondere kann man ultrakalte Moleküle aus zwei Atomen mit verschiedenen elektrischen oder magnetischen Eigenschaften auf diese Weise bislang nicht produzieren. Man versucht stattdessen, zweiatomige Moleküle durch eine normale, „heiße“ chemische Reaktion herzustellen und anschließend schrittweise auf extrem tiefe Temperaturen abzukühlen. Dazu bietet sich die bei Atomen bewährte Laserkühlung an. Die Energie des Laserlichtes wird dabei etwas kleiner gewählt, als es zur Anregung nötig wäre. Die fehlende Energie wird der Bewegungsenergie des Atoms entnommen, das daraufhin immer langsamer wird.

Kalte Strontiumfluoridmoleküle sind in mehrfacher Hinsicht interessant

Dieses Kühlverfahren lässt sich bei Molekülen nur schwer anwenden, da sie, anders als Atome, rotieren und schwingen können. Bisher schien es so, als müsste man zum Kühlen zweiatomiger Moleküle eine große Zahl von Lasernstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen benutzen. David DeMille von der Yale University benötigte mit seinen Kollegen jedoch nur drei Laser, um Moleküle aus Strontiumfluorid schrittweise auf dreihundertmillionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt zu bringen, wie er berichtete. Er ist zuversichtlich, dass sich mit seinem Verfahren noch wesentlich tiefere Temperaturen erreichen lassen. Bisher hat er insgesamt neun weitere Moleküle ausfindig gemacht, die man kühlen könnte.

Kalte Strontiumfluoridmoleküle sind in mehrfacher Hinsicht interessant. Zum einen haben sie jeweils einen Elektronenspin, mit dem man ein Quantenbit - die quantenmechanische Informationseinheit - darstellen kann. Ein künstlicher Kristall aus kalten Strontiumfluoridmolekülen wäre somit eine Art Speichermedium für Qubits. Mit dem Molekül könnte man auch prüfen, ob das Elektron ein elektrisches Dipolmoment besitzt, wie es einige Forscher glauben. Bisher deutet aber alles darauf hin, dass das nicht der Fall ist und die elektrische Ladung kugelförmig über das Elektron verteilt ist. Hätte es jedoch eine „verbeulte“ Ladungsverteilung, so besäße es ein Dipolmoment. Dieses würde das Elektron und seinen Spin verdrehen. Durch Präzisionsmessungen der Anregungsenergien hofft DeMille, dieses Dipolmoment aufspüren zu können.