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Atome ohne Identität

Verschmierte Teilchen / Transport von Partikelwolken

Von Rainer Scharf

Die Atome sind die soliden Bausteine der uns umgebenden Materie. Wenn man sie zum Beispiel mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops auf einer glatten Oberfläche umherschiebt, verhalten sie sich wie winzige, kompakte Kugeln. Doch den Gesetzen der Quantenmechanik zufolge geben sie bisweilen ihre Teilchennatur auf und verhalten sich dann ähnlich den Photonen wie Wellen. Die Erforschung atomarer Materiewellen hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht, wie Mark Kasevich von der Stanford University in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift "Science" (Bd. 298, S. 1363) berichtet.

Das erste Experiment, bei dem die Welleneigenschaften der Atome deutlich zutage traten, wurde vor elf Jahren an der Universität Konstanz gemacht. Damals richteten Jürgen Mlynek und O. Carnal einen Strahl von Heliumatomen auf eine Goldfolie, die zwei nebeneinanderliegende feine Schlitze hatte. Auf einem Schirm hinter der Folie wurden die Atome registriert, die durch die Schlitze hindurchgekommen waren. Dabei beobachteten die Forscher, wie ein streifenförmiges Interferenzmuster entstand. Ein solches Muster kannte man von Experimenten mit Lichtwellen.

Jedes der Atome war als Materiewelle gleichzeitig durch beide Schlitze hindurchgegangen. Die beiden von den Schlitzen ausgehenden Teilwellen hatten sich überlagert und dabei ein Interferenzmuster erzeugt. Wo das Atom dann schließlich registriert wurde, hing vom Zufall ab. Doch trat es mit großer Wahrscheinlichkeit dort zutage, wo das Interferenzmuster besonders intensiv war. Anfang dieses Jahres hat man an der Universität Wien ein ähnliches Experiment mit großen Molekülen durchgeführt. Dabei konnten Anton Zeilinger und seine Mitarbeiter beobachten, daß sogar Moleküle aus 70 Kohlenstoffatomen als Materiewellen die Schlitze in einer Goldfolie passierten.

Sobald man allerdings nachschaut, ob ein Atom oder Molekül nicht doch als Teilchen durch einen der beiden Schlitze hindurchfliegt, stört man die Materiewelle, und das Interferenzmuster verschwindet. Das haben David Pritchard und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology im vergangenen Jahr beobachtet. Zahlreiche Forscher haben mittlerweile damit begonnen, die Interferenz von Materiewellen für praktische Zwecke zu nutzen. So kann man Drehbewegungen und Beschleunigungen einer Versuchsapparatur präzise kontrollieren, da sie das Interferenzmuster stark verändern. Dadurch wird es möglich, neuartige Gyroskope und Beschleunigungsmesser zu bauen. Mark Kasevich und seine Mitarbeiter haben zum Beispiel ein Atominterferometer entwickelt, mit dem sie die Erdbeschleunigung auf ein Milliardstel genau messen. Damit lassen sich lokale Änderungen des irdischen Schwerefeldes beobachten, die zum Beispiel durch ungleiche Massenverteilung in der Erdkruste hervorgerufen werden.

Bei der Bose-Einstein-Kondensation tritt die Wellennatur der Atome auf besonders spektakuläre Weise zutage. Kühlt man eine Wolke - zum Beispiel aus Natriumatomen - auf extrem tiefe Temperaturen ab, so beginnen die Materiewellen der Atome einander zu durchdringen und schließlich zu einer Welle zu verschmelzen. Es bildet sich ein Bose-Einstein-Kondensat, in dem die Atome ihren Teilchencharakter und ihre Identität aufgeben. Jedes der Atome ist dann gewissermaßen über das ganze, etwa millimetergroße Kondensatwölkchen verteilt und von den Millionen anderen Atomen nicht zu unterscheiden.

Die Atomwolke wird mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern in einer "Falle" festgehalten. Zunächst waren diese Fallen recht aufwendige Apparaturen. Doch im vergangenen Jahr haben Jakob Reichel von der Universität München und seine Kollegen sowie die Gruppe von Claus Zimmermann an der Universität Tübingen Mikrochips hergestellt, auf denen sie eine kleine Atomwolke festhielten und zur Bose-Einstein-Kondensation brachten. Kürzlich ist es sowohl den Tübinger Forschern als auch der Gruppe von Wolfgang Ketterle am Massachusetts Institute of Technology gelungen, ein Kondensat auf dem Chip über mehrere Millimeter hinweg zu transportieren. Ob sich daraus bessere Gyroskope, kompaktere Atomlaser oder gar Komponenten für einen Quantencomputer entwickeln lassen, ist derzeit noch unklar.

Mit den Bose-Einstein-Kondensaten sind auch einige grundlegende Fragen zur Quantenphysik in das Zentrum des wissenschaftlichen Interesses gerückt. Normalerweise macht sich die Quantenphysik nur im Bereich der Atome und anderer mikroskopischer Objekte bemerkbar, während das Verhalten größerer, makroskopischer Objekte durch die klassische Physik beschrieben wird. Ein Bose-Einstein-Kondensat, das aus mehr als einer Million Atomen besteht, ist indes ein makroskopisches Objekt, das trotzdem den Gesetzen der Quantenphysik folgt - wie Schrödingers Katze. Wie sich ein Kondensat verhält, das störenden Umwelteinflüssen oder einer Beobachtung ausgesetzt ist, wird derzeit intensiv erforscht. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 20.11.2002, Nr. 270 / Seite N2

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