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Physik-Nobelpreis 2012 : Atome und Licht in Isolationshaft

Zwei Pioniere der Quantenoptik, der Franzose Serge Haroche (links) und der US-Amerikaner David Wineland, teilen sich in diesem Jahr den Nobelpreis für Physik. Bild: dapd, Reuters

Der Physik-Nobelpreis geht in diesem Jahr an zwei Quantenoptiker. Serge Haroche und David Wineland werden für die Entwicklung „bahnbrechender experimenteller Verfahren“ in der Quantenphysik geehrt. Ihre Erkenntnisse sind die Grundlage für bessere Atomuhren und Quantencomputer.

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          Die Quantenphysik hat wie kaum eine andere Theorie das Weltbild verändert. Mit ihr kann man das Verhalten von Elektronen, Atomen, Molekülen, von fester, gasförmiger und flüssiger Materie sowie von elektromagnetischer Strahlung aller Art beschreiben. Hielten die Pioniere der Quantenphysik Experimente mit einzelnen Teilchen noch für unmöglich, so verschieben die Physiker heutzutage Atome und Moleküle auf Oberflächen, als wären es Billardkugeln. Mit speziellen Atom- und Ionenfallen lassen sich Atome oder Ionen von der Umgebung isolieren und für längere Zeit in der Schwebe halten. Auch einzelne Photonen, die Lichtquanten, können in winzige verspiegelte Resonatoren gesperrt und nach Belieben manipuliert werden.

          Zwei findige Quantentüftler

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Zu verdanken ist das dem technischen Fortschritt, vor allem aber dem Ideenreichtum von findigen Physikern. Dazu zählen ohne Zweifel David Wineland vom National Institute of Standards and Technology, Nist, in Boulder (Colorado) und Serge Haroche vom Collège de France in Paris. Beiden Wissenschaftlern wird in diesem Jahr der Nobelpreis für Physik zuerkannt - für die Entwicklung „bahnbrechender experimenteller Verfahren, die es erlauben Quantensysteme zu messen und zu manipulieren“, begründete die Nobel-Jury des Karolinska-Instituts in Stockholm ihre Entscheidung.

          Die beiden Experimente von Wineland und Haroche.
          Die beiden Experimente von Wineland und Haroche. : Bild: dpa

          Wollen die Physiker mit einzelnen Teilchen arbeiten, müssen sie alle Register der Experimentierkunst ziehen. Atome beispielsweise befinden sich normalerweise in heftiger Bewegung. Bei Raumtemperatur haben sie Geschwindigkeiten von mehreren tausend Kilometern pro Stunde, die Bewegungsrichtungen sind völlig ungeordnet. Man muss die Teilchen deshalb stark abbremsen und bis an den Temperaturnullpunkt abkühlen bis sie fast in Ruhe sind. Physiker nutzen hierfür, neben einem guten Vakuum, abgestimmte Laserstrahlen und spezielle Käfige, in denen die geladenen Atome mit elektrischen und magnetischen Feldern auf einem kleinen Raumgebiet festgehalten werden.

          Wegbereiter aus Bonn und Seattle

          Die ersten Versuche, geladene Teilchen mit magnetischen und elektrischen Feldern einzufangen und festzuhalten, unternahm unter anderem in den sechziger Jahren Hans Georg Dehmelt an der University of Washington in Seattle. Anfang der siebziger Jahre stellte er einen Rekord auf, als er ein einzelnes Elektron zehn Monate lang in der Schwebe hielt.

          David Wineland, der sein experimentelles Rüstzeug bei Dehmelt erlernte, hat die Speicherverfahren im Laufe der Zeit - mit Hilfe von ausgeklügelten  Kühltechniken mit Laserstrahlen  - so verfeinert, dass er ein einzelnes Ion, aber auch mehrere Teilchen, in seinen Käfigen einfangen, kühlen und längere Zeit von den störenden Einflüssen der Umwelt isolieren kann. Mit Laserpulsen, deren Wellenlänge auf bestimmte Energiezustände der Ionen abgestimmt ist, lassen sich die Teilchen gezielt anregen und wieder in den Grundzustand befördern.

          Der Arbeitsplatz von David Wineland. Der Physiker justiert  einen ultravioletten Laserstrahl.
          Der Arbeitsplatz von David Wineland. Der Physiker justiert einen ultravioletten Laserstrahl. : Bild: Nist

          Eine seltsame Zwitterexistenz

          Winelands Techniken haben neue Möglichkeiten eröffnet, Aussagen der Quantenphysik experimentell zu überprüfen und detailliert zu studieren. So ist es gelungen, ein einfach geladenes Berylliumion eine Art Zwitterexistenz aufzuzwingen, wobei es sich gleichzeitig in zwei Quantenzuständen befindet - ein Verhalten, dass in der Alltagswelt keine Entsprechung hat. Doch das war nur der erste Schritt. Das Ion wurde durch weitere Laserpulse in eine spezielle Pendelbewegung versetzt. Dabei bewegte sich der eine Teil des Überlagerungszustands nach rechts und der andere nach links.

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