Ein deutscher Physiker baut den ersten Atom-Laser. Wolfgang Ketterle vom Massachussetts Institute of Technology hat einen alten Traum der Physiker erfüllt: Er hat eine Atom-Kanone mit Laser-Eigenschaften konstruiert, die völlig neue Möglichkeiten in der Nanotechnik bietet.
Im Gleichschritt, marsch! Der getarnte Stoßtrupp setzt sich in Bewegung, in Reih und Glied, die Augen geradeaus. Plötzlich ertönen Gewehrsalven aus dem Hinterhalt. Ein Teil des Trupps rennt panisch ins Lager zurück. Die anderen werden vom Feind umzingelt.
Die martialische Schilderung scheint eher in einen Hollywood-Schinken als in ein Forschungslabor zu passen. Und doch spielte sich diese Szene am Morgen des 16. November 1996 am Massachussetts Institute of Technology (MIT) in Boston ab. Die Akteure waren zwar keine Soldaten, sondern Atome, aber das Drehbuch war identisch. Wissenschaftler unter der Leitung des deutschen Physikers Wolfgang Ketterle haben mit dieser Regieanweisung den ersten Atom-Laser gebaut – eine Apparatur, die im Gleichtakt schwingende Atome ausstößt.
Ketterle und sein Team nutzten die Tatsache, daß sich Atome manchmal wie Wellen verhalten – wie es der Physiker Louis de Broglie schon 1923 vorhergesagt hatte. Bei idealen Bedingungen müßte es möglich sein, überlegte Ketterle, die Materiewellen so zu kommandieren, daß sie alle genau in Phase schwingen – wie bei einem optischen Laser, bei dem die Lichtwellen in perfektem Einklang sind. Das MIT-Team dachte sich ein trickreiches Drehbuch aus, um den begehrten Atom-Laser zu realisieren:
Szene 1: Der Marschbefehl. Die Physiker füllten Millionen von Natrium-Atomen in eine magnetische Falle und kühlten sie auf 0,0000001 Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) ab. Bei einer so niedrigen Temperatur verlieren die Atome ihre Eigenständigkeit und rotten sich zu einem sogenannten Bose-Einstein-Kondensat zusammen. In diesem merkwürdigen Super-Atom schwingen die Materiewellen eines Atom-Haufens plötzlich wie eine einzige Welle im Gleichtakt – so als hätte ein unsichtbarer Feldwebel den Marschbefehl über den Kasernenhof gebrüllt. Die gleichgerichteten magnetischen Momente nutzten die Forscher, um die Atome in einer magnetische Falle zu fangen, die von komplizierten Spulen erzeugt wurde.
Szene 2: Das Störfeuer. Das erste Bose-Einstein-Kondensat – sozusagen die Munition des Atom-Lasers – hatten vor knapp zwei Jahren Wissenschaftler an der University of Colorado in Boulder erzeugt (siehe “Der kälteste Punkt der Erde”, bild der wissenschaft 10/1995). Doch erst Wolfgang Ketterles Team gelang es, die Atom-Kanone zu entsichern und einige “Schüsse” zu lösen.
Dazu strahlten sie kurze elektromagnetische Störimpulse eines Radiowellensenders in die Magnetfalle und warfen damit einige Atome aus dem Takt. Die Deserteure klappten ihre magnetische Ausrichtung um und entkamen – von den Zwängen des äußeren Magnetfeldes befreit – allein von der Schwerkraft gezogen nach unten aus der Falle: Fertig war die Atom-Kanone.
Der Bau des “Auskopplers” sei relativ leicht gewesen – “peanuts”, wie Wolfgang Ketterle zu Protokoll gibt. Doch die Atom-Salven waren den Physikern nicht genug. Sie wollten beweisen, was vor ihnen noch niemandem gelungen war: daß die herunterfallenden Atome auch nach dem Verlassen der Falle nach einer Pfeife tanzen. Diese sogenannte Kohärenz ist es, die einen Laser von einer normalen Lichtquelle unterscheidet. Im Laser werden kohärente Lichtwellen zwischen zwei Spiegeln hin und her geworfen. Ein kleiner Teil des Lichts verläßt diesen Resonator durch einen halbdurchlässigen Spiegel.
Soweit hatten es die MIT-Physiker mit ihren Atomen auch geschafft. Doch waren die Atomwellen auch nach dem Verlassen der Falle noch kohärent – so wie die Lichtwellen bei einem Laser? Um zu prüfen, ob sie nur ein Schrotgewehr oder ein präzises Maschinengewehr gebaut hatten, erweiterten die Wissenschaftler ihr Drehbuch.
Szene 3: Das Wiedersehen. Mit einem Laser teilten die Physiker die Atome in der Falle in zwei getrennte Pulks. Die Atome schwangen zwar innerhalb der Pulks im Gleichtakt, doch die Orientierung beider Pakete unterschied sich. Nach Abschalten der Falle sanken die beiden Pakete nach unten, breiteten sich langsam aus und überlagerten sich. Mit einer Lichtquelle und einer elektronischen Kamera beobachteten Ketterle und seine Kollegen typische Interferenzmuster – wie bei Lichtstrahlen, die einen Doppelspalt passiert haben.
“Alle 15 Mikrometer sahen wir Materie, dann wieder keine Materie, Materie, keine Materie”, beschreibt Ketterle den aufregenden Augenblick. In den dunklen Stellen, wo sich die Materiewellen auslöschen, “gibt ein Atom plus ein Atom null Atome”, wie es Ketterle ausdrückt: “Natürlich wird die Materie nicht zerstört, die Atome tauchen bloß an einer anderen Stelle auf.” Mit der Interferenzmessung haben sich die Forscher inzwischen davon überzeugt, daß auch die Atomstrahlen, die sie mit ihrem “Auskoppler” erzeugen, kohärent sind.
Kohärente Atomstrahlen – mit diesem Werkzeug eröffnen sich ungeahnte Möglichkeiten. Zum Beispiel in der Halbleiter- oder Nanotechnik: Um Atome zu feinen Strukturen für Speicherchips oder Mikromaschinen zu schichten, bedurfte es bisher präziser Masken, die Atome an bestimmten Stellen durchließen und an anderen abblockten. Ein kohärenter Atomstrahl dagegen ließe sich wie ein Lichtstrahl ablenken und fokussieren. “Das wäre ein Werkzeug, um Muster direkt auf das Material zu schreiben”, erklärt Dan Heinzen, Physiker an der Universität von Texas.
Eine andere Anwendung sind Atom-Uhren: Sie arbeiten mit Atomstrahlen, in denen die Atome mit Mikrowellen einer exakt definierten Wellenlänge angeregt werden. Die Wellenlängen von Materiewellen eines Atom-Lasers betragen nur einen winzigen Bruchteil davon. Vorteil: Mit einem Atom-Laser ließens sich die Taktrate des Uhrwerks drastisch erhöhen und die Zeit viel besser kontrollieren.
Doch bis dahin ist es ein weiter Weg. Bis jetzt können die MIT-Forscher mit einer Atom-Ladung nur acht Pulse im Abstand von jeweils fünf Millisekunden abfeuern. Das Nachladen des Atomlasers dauert 20 bis 30 Sekunden. “Im Gegensatz zu den Photonen, die sich im optischen Laser lawinenartig vervielfachen, lassen sich Atome in einem Atom-Laser nicht aus dem Nichts erzeugen”, sagt Ketterle. Deshalb arbeiten er und seine Kollegen an einer Methode, um das Kondensat in der Falle kontinuierlich mit Nachschub zu versorgen. Außerdem wollen sie spezielle Spiegel entwickeln, um die Atome auch entgegen der Schwerkraft in beliebige Richtungen lotsen zu können.
Auch wenn dies schon bald gelingen sollte, ein Handicap bleibt: Ein Atom-Laser funktioniert nur im Vakuum, in der Luft würden die Atome sofort gestoppt. Doch selbst im Vakuum ist der Zusammenhalt der Truppe nicht sehr gut: Während die Lichtwellen eines Lasers auch über weite Strecken als kompaktes Bündel zusammenbleiben, driften die Atome eines Bose-Einstein-Kondensats auseinander.
Beim Atom-Laser hinkt die Technik also den Visionen der Physiker hinterher. Beim optischen Laser war das am Anfang umgekehrt. Keith Burnett, Physiker an der Universität von Oxford, erinnert sich: “Als die Leute damals nach Anwendungen fragten, konnten sie sich nicht vorstellen, daß Laser einmal in jeder Supermarktkasse sein würden.”
So funktioniert der Atom-Laser In einem Magnet-Käfig, der von zwei Spulen erzeugt wird, sind ultrakalte Natrium-Atome eingesperrt. Nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) verlieren sie jede Eigenständigkeit, und ihre magnetischen Momente richten sich parallel aus. Ein elektromagnetischer Impuls klappt die magnetische Ausrichtung einiger Atome um. Diese werden aus dem Käfig herausgedrückt und fallen nach unten. Weitere Impulse erzeugen immer neue Atom-Tropfen, bis die Falle schließlich leer ist.
Infos im Internet MIT-Pressemitteilung: http://www.eurekalert.org/E-lert/current/public_releases/deposit/mit_laser.html American Institute of Physics: http://www.aip.org/physnews/special.htm
Bernd Müller
