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Cäsium macht Bose-Einstein-Club komplett

Von Rainer Scharf

Alle Alkalimetalle hat man in den letzten Jahren zur Bose-Einstein-Kondensation zwingen können - außer Cäsium. Dieses Element, das in Atomuhren willig den Takt angibt, verhält sich bei Abkühlung auf extrem tiefe Temperaturen sehr widerspenstig. Mit einer neuen Technik haben Forscher der Universität Innsbruck jetzt auch ein Bose-Einstein-Kondensat aus Cäsiumatomen hergestellt.

Bisher war die Bose-Einstein-Kondensation des Cäsiums stets an dessen ungewöhnlichen quantenmechanischen Eigenschaften gescheitert. Brachte man ein Wölkchen von Cäsiumatomen in eine magnetooptische Falle und ließ einen Teil der Atome behutsam verdampfen, so kühlten sich die in der Falle verbliebenen Atome zunächst ab. Doch bevor man die Kondensationstemperatur erreicht hatte, explodierte das Wölkchen und die Atome flogen aus der Falle heraus. Je näher man der Kondensation kam, umso häufiger kollidierten die Atome inelastisch miteinander. Dabei wurde ein Teil der inneren Energie der Atome in Bewegungsenergie umgewandelt, die Atome bewegten sich schneller und entwichen der Falle.

(Bild)
Drei Flugzeitbilder der Cäsiumatome nach 50 ms freier Expansion für drei verschiedene Fallentiefen am Ende der Evaporationsrampe. Jedes Bild zeigt einen Ausschnitt von 1,6 x 1,4 mm2. Links: Fallentiefe 570 nK, thermische Wolke: 65 000 Atome bei T = 46 nK, kurz vor dem Phasenübergang. Mitte: Fallentiefe 360 nK, teilweise kondensierte Atomwolke mit 41 000 Atomen bei T = 30 nK. Rechts: Fallentiefe 170 nK, fast reines Kondensat mit 16 000 Atomen. (Quelle: Uni Innsbruck, AG Grimm)

Tino Weber und seine Kollegen konnten jetzt verhindern, dass es zwischen den Cäsiumatomen zu inelastischen Zusammenstößen kam. Dazu brachten sie die Atome in ein sehr starkes Magnetfeld. Die Atome kollidierten dann nur noch elastisch miteinander und wurden nicht mehr aus der Falle geschleudert. Darüber hinaus konnten die Innsbrucker Forscher die Anziehungskraft zwischen den Cäsiumatomen variieren, indem sie die Magnetfeldstärke veränderten: Je nach Feldstärke zogen sich die Atome an, stießen sich ab oder übten keine Kräfte aufeinander aus.

Bei ihrem Kondensationsexperiment gingen die Forscher folgendermaßen vor. Sie ließen zwei infrarote Laser einander kreuzen und brachten einige Millionen Cäsiumatome in den Kreuzungspunkt. Wegen ihres elektrischen Dipolmoments wurden die Atome da festgehalten, wo die Lichtintensität dieser optischen Falle am größten war. Allerdings mussten die sehr schweren Cäsiumatome mit einem Magnetfeld daran gehindert werden, aus den Laserstrahlen herauszufallen. Ein weiteres, starkes Magnetfeld stellte sicher, dass die festgehaltenen Atome elastisch miteinander kollidierten. Ein Teil der Atome konnte aus dieser Lichtfalle verdampfen und so die zurückbleibenden Atome abkühlen.

Nach etwa 10 Sekunden enthielt die Lichtfalle noch 20 Millionen Atome, die eine Temperatur von einem Millionstel Kelvin hatten. Wurden die Atome einem abgestimmten Magnetfeld von rund 23 Gauss ausgesetzt und weiter abgekühlt, so entstand nach weiteren fünf Sekunden ein Bose-Einstein-Kondensat aus 16 000 Cäsiumatomen, dessen Temperatur 160 Nanokelvin betrug. Als die Forscher die Magnetfeldstärke auf 17 Gauss verringerten, übten die Cäsiumatome keine Kräfte mehr aufeinander aus. Es entstand ein "eingefrorenes" Kondensat, das auch nach Abschalten der optischen Falle nicht auseinander flog. Da die Atome in solchen "eingefrorenen" Kondensaten fast vollständig zur Ruhe gekommen sind, könnte man mit ihnen noch genauere Atomuhren herstellen. 

Quelle
Tino Weber et al.: Bose-Einstein Condensation of Cesium. Science 299, 232 (2003)
http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/299/5604/232
http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/1079699/DC1

Kontakt
Tino Weber, E-Mail: tino.weber@uibk.ac.at
Rudolf Grimm, E-Mail: rudolf.grimm@uibk.ac.at
http://exphys.uibk.ac.at/ultracold/people/people.html

Weitere Informationen
Bericht von der Gruppe Grimm an der Universität Innsbruck
http://exphys.uibk.ac.at/ultracold/csbec/d_csbec.html

Übersicht über BEC-Experimente:
http://bec01.phy.gasou.edu/bec.html/

pro-physik.de v. 11.12.2002

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