FRÜHJAHRSTAGUNG DER DPG IN DÜSSELDORF

Ordnung in der Teilchenfalle

Wie sich extrem kalte Atome zu einem Bose-Einstein-Kondensat zusammenschließen

Von Rainer Scharf

 Es gibt ungezählte Beispiele, wie aus Unordnung spontan Ordnung entsteht. Flüssiges Wasser etwa wandelt sich unterhalb von null Grad in kristallin geordnetes Eis um, während das bei hohen Temperaturen unmagnetische Nickel beim Unterschreiten von 354 Grad magnetische Ordnung entwickelt. In kalten atomaren Gasen zeigen die zuvor voneinander unabhängigen Atome nahe dem absoluten Nullpunkt eine ungewöhnliche Ordnung, bei der die Teilchen ein perfekt aufeinander abgestimmtes Verhalten aufweisen. In Düsseldorf haben in der vergangenen Woche Tobias Donner und seine Kollegen von der ETH Zürich darüber berichtet, wie in diesem Fall der Übergang in den geordneten Zustand erfolgt.

Die Forscher haben ein Wölkchen von vier Millionen Rubidiumatomen in einer Atomfalle festgehalten und auf etwa 200 Nanokelvin gekühlt. Es entstand ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat, in dem die Materiewellen der Atome im Gleichtakt schwangen. Mit der Zeit erwärmte sich das Wölkchen langsam, und bei einer Temperatur von 215 Nanokelvin war das Kondensat verschwunden. Die Forscher wollten herausfinden, ob es noch Überreste der quantenmechanischen Ordnung gab, die zuvor geherrscht hatte. Daraus ließ sich womöglich schließen, wie sich das Bose-Einstein-Kondensat gebildet hatte.

Um den Resten der ursprünglichen Quantenordnung auf die Spur zu kommen, wurden an mehreren Stellen in der zigarrenförmigen Wolke Stichproben von einigen tausend Atomen entnommen und die Eigenschaften der Materiewellen miteinander verglichen. Dazu hatten sie die Wolke einem Mikrowellenpuls ausgesetzt, wodurch die Atome in zwei schmalen scheibenförmigen Bereichen aus der Falle herausrieselten. Durch die Stärke des Pulses ließ sich der mikrometergroße Abstand der beiden Bereiche variieren. Die herabfallenden Atome bildeten zwei Strahlen, die die Forscher zusammenführten und zur Überlagerung brachten.

Als Donner und seine Kollegen Laserlicht einstrahlten, zeigte sich am Ort der Überlagerung ein regelmäßiges streifenförmiges Interferenzmuster, das den Wellencharakter der ausgekoppelten Atome spiegelte. Die Streifen waren desto stärker ausgeprägt, je besser die schwingenden Materiewellen der Atome in den beiden Strahlen miteinander korreliert waren. Die perfekte Abstimmung trat ein, als die Atomwolke einige Nanokelvin wärmer war als das frühere Bose-Einstein-Kondensat. Die Atome waren dann über eine Entfernung von 0,25 Mikrometer nahezu perfekt miteinander abgestimmt. Bei einer höheren Temperatur und einer Distanz von mehr als zwei Mikrometern verhielten sich die Teilchen völlig unabhängig voneinander. Jegliche Ordnung war nun zerstört.

Die Forscher ziehen anhand ihrer Beobachtungen den Schluss, dass sich wenige Nanokelvin oberhalb der kritischen Temperatur, bei der sich eine Atomwolke in ein Bose-Einstein-Kondensat verwandelt, ständig winzige Kondensattröpfchen bilden und wieder auflösen. Die Tröpfchen, in denen die Atomwolken im Gleichtakt schwingen, werden mit zunehmender Kälte immer größer, bis schließlich ein Tropfen entsteht, der die gesamte Wolke umfasst. Ein Bose-Einstein-Kondensat ist entstanden. Dieser Vorgang zeigt große Ähnlichkeit mit dem Auftreten von Magnetismus in einem warmen Nickelklötzchen. In ihm bilden sich magnetisch geordnete Zonen, die beim Abkühlen immer größer werden, bis sie sich schließlich über das ganze Klötzchen erstrecken.

Text: F.A.Z., 28.03.2007, Nr. 74 / Seite N2