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Quantenphysik : Kalte Quantenmaterie - eine heiße Sache

  • -Aktualisiert am

Illustration von Atomen (rote und gelbe Kugeln), die in einem optischen Gitter (grau) gefangen sind. Das Gitter gleicht einem Eierkarton, in dessen Potentialmulden die Teilchen sitzen und miteinander reagieren können Bild: MPI für Quantenoptik

Mit ultrakalten Atomen und Molekülen lassen sich chemische Reaktionen detailliert erforschen und schwer zugängliche Vorgänge in Kristallen simulieren. Auch für Präzisionsmessungen bieten sie reichlich Spielraum.

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          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.

          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.

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