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Ein magnetischer Spiegel für den Atomlaser

Materiewellen fokussiert und gespeichert / Mögliche Anwendungen für die Nanotechnik

Von Rainer Scharf

In den Atomlaser, der vor vier Jahren entwickelt wurde, setzen die Wissenschaftler große Erwartungen. Ähnlich wie der optische Laser liefert er brillante, hochgradig geordnete Strahlung. Diese besteht nicht aus Lichtwellen, sondern aus Atomen, die sich wie Materiewellen verhalten. Der Atomlaser könnte viele neue Anwendungen eröffnen. So ließen sich die Welleneigenschaften von Teilchen besser als bisher untersuchen. Auch für die Nanotechnik dürfte sich eine Reihe von Möglichkeiten ergeben, da sich mit der gebündelten Strahlung des Atomlasers extrem kleine Materiestrukturen abbilden und bearbeiten ließen. Während für herkömmliche Laserstrahlen ein ganzes Arsenal optischer Geräte wie Spiegel, Linsen oder Strahlteiler seit langem verfügbar ist, müßten entsprechende Geräte für den Atomlaser noch entwickelt werden. Forscher vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching haben solche Bauelemente jetzt erstmals vorgestellt.

Vor zwei Jahren hatten die Wissenschaftler um Theodor Hänsch den ersten Atomlaser verwirklicht, der nicht nur Materiewellenpulse in Form von Atomwölkchen abgab, sondern auch kontinuierlich strahlen konnte. Dasselbe Instrument wurde auch bei den jüngsten Experimenten verwendet ("Physical Review Letters", Bd. 87, Nr. 030401). Dabei fingen die Forscher zunächst eine Wolke von magnetisierten Rubidiumatomen in einer Magnetfalle ein. Die Atome wurden darin so stark gekühlt, daß sich ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat bildete. Dieses bestand aus rund 700 000 Atomen. In dem Kondensat durchdrangen sich die Materiewellen der einzelnen Atome gegenseitig, so daß sie im Gleichtakt schwangen. Es entstand eine äußerst intensive Materiewelle, so als enthielte die Magnetfalle gewissermaßen ein Superatom. Mit Radiowellen wurden dann Atome entmagnetisiert, wodurch sie aus der Falle entweichen konnten und infolge der Schwerkraft nach unten fielen. Es bildete sich ein kontinuierlicher Strom von Atomen mit aufeinander abgestimmten Materiewellen, der Strahl des Atomlasers.

Versucht man einen Atomlaserstrahl mit einem gewöhnlichen Spiegel zu reflektieren, geraten die Materiewellen aus dem Takt. Aus dem kohärenten Atomlaserstrahl wird dabei ein gewöhnlicher Atomstrahl. Die Münchner Forscher haben jetzt einen Spiegel entwickelt, der den Atomlaserstrahl reflektiert, ohne dessen innere Ordnung zu zerstören. Der Spiegel besteht aus einem besonders geformten Magnetfeld und dem Lichtstrahl eines optischen Lasers.

Die Wirkungsweise des neuartigen Spiegels haben die Forscher durch eine Reihe von Experimenten demonstriert. Dabei ließen sie den kohärenten Atomstrahl durch ein nach unten hin stärker werdendes Magnetfeld fallen, das zunächst keine Wirkung zeigte. Als die Atome etwa einen halben Millimeter tief gefallen waren, passierten sie den Lichtstrahl eines optischen Lasers, der sie magnetisierte.

Die Atome spürten nun die nach oben gerichtete Kraft des Feldes, die bis zu zehnmal so stark war wie die Schwerkraft. Die Magnetkraft bremste die atomaren Wellenpakete ab, die ihre Bewegungsrichtung umkehrten und beschleunigt nach oben flogen. Das Magnetfeld reflektierte die Atome wie ein Spiegel. Da die Feldlinien gekrümmt waren, wurden die zurückgeworfenen Atome gebündelt, ähnlich wie bei einem Hohlspiegel.

Gerieten die Atome ein weiteres Mal in den Lichtstrahl, kehrten sie in den unmagnetischen Ausgangszustand zurück. Jetzt wirkte nur noch die anziehende Schwerkraft, die sie immer weiter nach unten zog, bis die Atome verlorengingen. Schalteten die Forscher den Lichtstrahl jedoch rechtzeitig ab, blieben die Atome magnetisiert. Das nutzten die Forscher und fingen die Atome mit einem Magnetfeld ein. In dem Feld begannen die Atome auf und ab zu "hüpfen". Bis zu 37 solcher Oszillationen haben die Forscher beobachtet.

Der Anteil der am Magnetfeld reflektierten Atome ließ sich zwischen null und hundert Prozent variieren. Dazu mußte man lediglich die Intensität des Laserlichtes verändern. Schon eine Lichtleistung von einem tausendstel Watt (Milliwatt) reicht dazu aus, die aus einem halben Millimeter Höhe herabgefallenen Atome vollständig zu reflektieren. Die Münchner Forscher sind davon überzeugt, daß sich mit einer höheren Leistung auch schnelle Atomstrahlen reflektieren lassen.

Die Physiker verwendeten den Spiegel auch als Strahlteiler, indem sie die Lichtintensität verringerten. Nun wurde nur ein Teil der Atome durchgelassen und der Rest reflektiert. Aus dem einen Atomlaserstrahl waren zwei entstanden. Die Garchinger Forscher nutzen inzwischen das Arsenal von atomoptischen Geräten dazu, die Eigenschaften des Atomlaserstrahls genauer zu untersuchen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 25.07.2001, Nr. 170 / Seite N2

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