von RALF BUTSCHER
Wie verhalten sich einzelne Atome in einem Gas? Kapseln sie sich voneinander ab und führen ein distanziertes Eigenleben? Oder pflegen sie einen regen Austausch miteinander. Bis vor einigen Jahren blieb den Wissenschaftlern ein scharfer Blick darauf verwehrt. Sie mussten sich stattdessen damit begnügen, verschiedene physikalische Parameter zu messen und daraus ihre Rückschlüsse zu ziehen. Doch 2016 gelang es US-Forschern am Massachusetts Institute of Technology (MIT) das „Sozialverhalten“ von Atomen in einem ultrakalten Gas live zu beobachten. Dazu kühlten sie Kalium-Atome bis auf den Bruchteil eines Grads über dem absoluten Nullpunkt bei minus 273,16 Grad Celsius (0 Kelvin) ab, sperrten sie in ein Gitter aus Laserlicht – einen Quantensimulator – und schauten mit einem sogenannten Quantengasmikroskop auf das Geschehen – einer Technologie, die an der Harvard University und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching entwickelt worden ist.
Gerade die Forscher im Team von Immanuel Bloch, Physiker und Direktor des MPQ, sind seit vielen Jahren Pioniere bei der Entwicklung solcher Mikroskope, mit denen sich einzelne Atome in extrem stark abgekühlten Gasen beobachten lassen. Das Instrument, das Wissenschaftler wie Bloch für den Scharfblick auf die Vorgänge tief im Nanokosmos geschaffen haben, hat den Forschern das Tor zur Welt der Atome – und inzwischen auch der Moleküle – geöffnet, die für den Blick menschlicher Augen ansonsten verschlossen ist.
Ausgangsbasis für die Quantengasmikroskopie ist ein Lichtgitter, in dem zum Beispiel Rubidium-, Kalium- oder Strontium-Atome eingefangen und platziert werden. Das Gerüst dafür liefern Laserstrahlen. Die Voraussetzung für das Gelingen des Experiments liefert eine – ebenfalls durch Laserlicht – bewerkstelligte Kühlung der Partikel bis fast auf 0 Kelvin. Um die Atome sichtbar zu machen, verwenden die Wissenschaftler einen weiteren Laserstrahl. Er regt die Atome zum Fluoreszieren an, das Fluoreszenzlicht wird schließlich durch einen Kamerasensor aufgefangen und aufbereitet. Möglich ist die Abbildung einzelner Partikel, weil sich diese in dem Lichtgitter rund 500 Nanometer voneinander entfernt befinden – und damit in einer Distanz, die etwas größer ist als die optische Auflösungsgrenze des Lichtstrahls. Der Unterschied ist nicht sehr groß – und das ist die Herausforderung: Die Forscher operieren mit einem Quantengasmikroskop nahe an den fundamentalen Grenzen der optischen Auflösung.
Ein Quantengasmikroskop unterscheidet sich deutlich etwa von einem Rasterkraftmikroskop, bei dem nicht einzelne Atome, sondern eine Oberfläche mit vielen Atomen detektiert wird. Dazu fährt eine hauchfeine Spitze dicht über die Atome dort. Experimente an störungsempfindlichen Systemen, wie sie bei einer Quantensimulation verwendet werden, würden dadurch stark beeinflusst. Mit einem Quantengasmikroskop dagegen lassen sich Vorgänge im Mikrokosmos kontrolliert verfolgen.
