1995 vereinigten Physiker Atome erstmals zu einem Bose-Einstein-Kondensat. Jetzt wollen sie die ultrakalten Teilchen für technische Anwendungen fit machen.
Claus Zimmermann spricht von verschränkten Ideen. Er spielt damit auf die geisterhaften Verbindungen entfernter Systeme in der Quantenphysik an, doch die Verschränkung ist auch ganz konkret gemeint: Im Sommer 1999 beriet er sich mit seinem Kollegen Jakob Reichel an der Münchner Ludwig-Maxi- milians-Universität über ein mögliches Forschungsprojekt. Die beiden Physiker spielten mit dem Gedanken, ein Bose-Einstein-Kondensat (BEK) auf einem Mikrochip unterzubringen: Eine Miniatur-Version der Apparatur, die die Atome bis fast an den absoluten Nullpunkt der Temperatur – 273,15 Grad unter den Nullpunkt der Celsius-Skala – abkühlt und quasi zu einem einzigen Super-Teilchen vereinigt. Keine Labor füllende Anlage, wie noch vor wenigen Jahren, sollte nötig sein – eine Voraussetzung für mögliche Anwendungen im Quanten-Computer oder in hoch empfindlichen Messgeräten.
Bei einem BEK können Physiker alle Atome mit einer einzigen Wellenfunktion beschreiben. Sie ist eine Art Steckbrief der Quantenphysik, der gewöhnlich für jedes einzelne Atom gesondert formuliert werden muss. Die Physiker Eric Cornell und Carl Wieman von der Cornell University im amerikanischen Boulder stellten 1995 erstmals ein BEK her. Im Oktober vergangenen Jahres erhielten sie dafür zusammen mit Wolfgang Ketterle, der die Atome am Massachusetts Institute of Technology kurz nach ihnen in die Kälte schickte, den Physik-Nobelpreis.
Im Sommer 2001 waren Zimmermann und Reichel gemeinsam zu einer Tagung in die USA gereist, ohne dass sie über das Kondensat noch einmal gesprochen hatten. Dort riefen Zimmermanns Mitarbeiter an und jubelten: „Wir haben es geschafft!” Sie hatten das Bose-Einstein-Kondensat auf einen Chip gebannt. Drei Tage später meldeten sich Reichels Kollegen mit derselben Nachricht. Sie konnten zwar nicht so viele Atome kondensieren wie Zimmermanns Team – nur knapp 10000 statt einer Million –, dafür hatten sie aber die Apparatur beträchtlich miniaturisiert (bild der wissenschaft 10/ 2002, „Die Quanten-Mechaniker”).
„Inzwischen arbeiten weitere Wissenschaftler daran, das BEK in Mikrofallen zu bringen”, sagt Reichel. Er nennt mehrere Forschergruppen, die sich mit dem BEK auf Mikrochips beschäftigen, unter anderem in Heidelberg, Stanford und Zürich – auch bei Ketterle und Cornell.
Doch die Wissenschaftler richten ihre Ambitionen auch auf unerschlossenes Neuland. Auf Effekte etwa, die sich im Zusammenspiel zwischen BEK und der Oberfläche des Mikrochips zeigen. „Darüber, wie sich die neue und die alte Form der Materie beeinflussen, wissen wir noch nicht viel”, sagt Zimmermann, inzwischen Professor an die Universität Tübingen. Für Überraschungen in diesem Neuland der Forschung ist daher gesorgt. So haben Wolfgang Ketterle und seine Mitarbeiter beobachtet, dass das BEK anfing zu hüpfen, als sie es über den Mikrochip leiteten. „Das war ein Effekt, als wäre das BEK von einer Geschwindigkeits-Barriere erschüttert worden”, sagt Ketterle. „ Die Physik dahinter ist banal.” Denn das BEK fing nur an zu springen, weil es auf Unebenheiten im Wellenleiter stieß. Jetzt, da Ketterles Team das herausgefunden hat, hoffen die Physiker, den Effekt in ihrem nächsten Wellenleiter vermeiden zu können. Sie wollen ihn einfach ohne Unebenheiten herstellen. Physikalisch gar nicht banal ist ein anderer Effekt: Er taucht auf, wenn die eingefrorenen Gaswölkchen des BEK über dem Chip in die Länge gezogen werden. „Dabei dehnt sich das BEK nicht gleichmäßig aus, sondern klumpt”, sagt Zimmermann. Das gefährdet manche der möglichen Anwendungen. „Zum Beispiel wenn wir in einem Interferometer Licht durch Atomstrahlen ersetzen wollen.”
Mit solchen Atom-Interferometern wollen Physiker genauere geologische Messungen machen, aber auch die Bewegungen eines Flugzeugs präziser erfassen als bisher (siehe Kasten „Das Atom-Interferometer auf dem Mikrochip”). „Die ungewollten Wechselwirkungen könnten alles kaputt machen”, befürchtet auch Reichel.
Doch zumindest den Klumpeffekt hofft Zimmermann beheben zu können, seit er herausgefunden hat, was ihm da in die Experimente pfuscht: „Dahinter steckt ein magnetisches Feld, das keiner kannte.” Entsprechend groß war die Ratlosigkeit in der Fachwelt. „ Für das Feld haben weder die Theoretiker noch die Experimentalphysiker, mit denen ich darüber gesprochen habe, eine Erklärung.”
Das neue Magnetfeld übt seine Kraft längs zu dem Leiter aus. „ Es prägt dem Potenzialfeld die Form eines Waschbretts auf”, so Zimmermann. „Niemand hatte es entdeckt, weil es 10000-mal schwächer ist als das Magnetfeld, das wir kennen.” Dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt, gehört zum physikalischen Schulwissen und tritt bei jedem Leiter auf, den Strom durchfließt – allerdings senkrecht zum Stromfluss. Auf dieses Magnetfeld sind die Physiker angewiesen: Das senkrecht zum Leiter stehende Magnetfeld friert das BEK an der Chip-Oberfläche ein und hält es dort fest.
„Ob das Magnetfeld längs zum Leiter auf einem subtilen kleinen Schmutzeffekt beruht und nur bei Kupfer auftritt, müssen wir noch prüfen”, sagt Zimmermann. Aus Kupfer haben die Physiker bislang ihre Mikrofallen konstruiert. Nun wollen sie herausfinden, ob auch ein anderes Metall – etwa Gold – unter Strom die magnetische Kraft ausübt, die noch niemandem aufgefallen ist. So kann Forschung in der Tieftemperatur-Welt das physikalische Allgemeinwissen aufrütteln: Die Wissenschaftler werden sich noch einmal Gesetze vornehmen müssen, die sie schon lange abgehakt hatten. Während also niemand eine Idee hat, was hinter dem ominösen Magnetfeld steckt, glaubt Zimmermann immerhin schon zu wissen, wie der unerwünschte Effekt zu beseitigen ist. „Wir können Wechselstrom an den Draht legen”, sagt er. Wenn der Leiter schnell genug umgepolt wird, hebt sich das Waschbrett-Potenzial der beiden Polungen auf. Zu schnell darf die Stromrichtung freilich nicht wechseln, damit sich der Griff des vertikalen Magnetfeldes nach dem BEK nicht lockert. „Mit 100 Kilohertz hätten wir aber nach oben und unten genug Spielraum”, sagt Zimmermann. Ob der Plan aufgeht, muss sich allerdings noch zeigen. Die Experimente laufen.
Das verborgene Phänomen macht den Forschern aber nicht nur Ärger. Denn ihre Entdeckung hat sie auch auf eine neue Anwendung für das BEK gebracht. „Wir möchten es als Oberflächensonde einsetzen”, sagt Zimmermann. „Es liefert uns eine Art Gipsabdruck der Oberfläche” – genauer gesagt: des Potenzials an der Oberfläche. Und wie das bislang unbekannte Magnetfeld beweist, prägen selbst kleine Kräfte dem BEK eine Struktur auf. Die können die Physiker sichtbar machen, indem sie die Magnetfalle öffnen: Dann löst sich das BEK von der Oberfläche im freien Fall und die Materiewellen, die in ihm eingefrorenen waren, dehnen sich aus. Die ihm aufgeprägte Struktur vergrößert sich, so dass die Forscher sie analysieren können. Vielleicht wird das BEK dadurch künftig sogar gängige Verfahren wie die Kraftfeld- oder Rastertunnel-Mikroskopie ausstechen. „Denn das BEK bildet auf einen Schlag einen Flecken von 10 auf 100 Mikrometern ab”, sagt Zimmermann. Mit bloßem Auge ist das zwar immer noch nicht erkennbar – aber eine ziemlich große Fläche im Vergleich zum Oberflächen-Messpunkt des Rastertunnel-Mikroskops. Um zu sondieren, wie und wozu sich das BEK als Mikroskop nutzen ließe, startet Zimmermann nun ein neues Projekt.
Vielleicht können die Physiker das Atom-Mikroskop sogar noch eher realisieren als eine andere Anwendung, die sie als Fernziel verfolgen: den Quantencomputer. „Es wird sicher noch 30 Jahre dauern, bis der kommt”, sagt Steven Rolston, der mit dem BEK am National Institute for Standards and Technology (NIST) im amerikanischen Gaithersburg arbeitet. Schritt für Schritt wollen sich die Physiker diesem Ziel nähern. Als Nächstes möchten sie einzelne Atome aus dem Kondensat lösen und mit ihnen auf dem Chip hantieren. „Ich bin sicher, dass wir das BEK in vielen Anwendungen als Reservoir verwenden werden, aus dem wir dann einzelne Atome kontrolliert auskoppeln”, sagt Zimmermann. Atome sollen beispielsweise als Quantenbits im Quantencomputer die Bits der elektronischen Chips ersetzen. Die Atome aus dem BEK eignen sich dafür besonders gut. Sie schweben allesamt im Grundzustand durch den Raum – hier sind sie mit so wenig Energie wie möglich beladen. Um einem Atom Information in Form von Quantenbits aufzuprägen, verändern die Physiker seinen Zustand. Damit sie die Information anschließend herauslesen können, müssen sie natürlich die Teilcheneigenschaften ohne die Information kennen – das heißt, sie müssen wissen, wie das Gefäß aussieht, in das sie die Bits packen.
Um einzelne Atome zu beobachten, die sie aus dem BEK herausgepickt haben, tüfteln sie an einem Detektor für die isolierten Teilchen. Darin soll das Atom mit einem Laser durchleuchtet werden, um seine Eigenschaften herauszufinden. Da ein einzelnes Atom in einem Laserstrahl aber wenig Spuren hinterlässt, wollen die Forscher es in einem Resonator fangen. Der wirkt wie ein Verstärker, weil in ihm ein Lichtstrahl durch Hin- und Herlaufen verstärkt, was das Atom mitzuteilen hat.
Mit dem Detektor für einzelne Atome wollen die Forscher auf ihrem Mikrochip auch so geheimnisvolle Phänomene wie den Tunneleffekt untersuchen. Dabei passiert ein Atom eine Wand, ohne dass es zu irgendeiner Zeit dort anzutreffen wäre, wo die Wand steht. Die ist zwar nicht gemauert und darf auch nicht ziegeldick sein. Sie stellt sich dem BEK vielmehr als ein magnetisches Potenzial entgegen, wie es Reichel auf der Chip-Oberfläche modelliert. Für Atome ist es ohne quantenmechanische Hilfe unüberwindbar. Es gibt dennoch eine Chance, dass ein Atom ab und zu jenseits der Mauer auftaucht. „Dieses Potenzial haben wir auf dem Chip viel besser in der Hand”, sagt Reichel. Denn er kann die Hügellandschaft, in dessen Mulden die Atome ruhen, auseinander ziehen, wenn ein Atom dorthin gerutscht ist, wo es nicht hingehört. „So können wir den Tunneleffekt zeitaufgelöst beobachten” – also genau verfolgen, wann das Atom tunnelt.
Das Tunneln vollkommen unterbunden hat dagegen sein Kollege Immanuel Bloch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München. Er ist damit noch einen Schritt über das BEK hinausgegangen. Der Physiker hat das Super-Teilchen des Kondensats wieder in seine Einzelteile zerlegt. Die Atome stieben dabei nicht auseinander – im Gegenteil: Bloch hat sie quantenmechanisch an einem Ort „festgeklebt”. Wenn er ein Bild davon zeichnet, sieht es aus, als hätte er die Atome in einen Eierkarton sortiert. „Im Kondensat springen Atome immer wieder zu benachbarten Gitterplätzen”, erklärt er. Zwei, manchmal sogar drei Teilchen drängeln sich dann da, wo eigentlich nur eines Platz hat. Um es am Hüpfen zu hindern, stülpt Bloch ihnen den „ Eierkarton” über. Dessen Rippen bestehen statt aus Pappe aus Laserstrahlen. Am elektrischen Feld des Laserlichts prallen die Atome ab wie an einer Mauer, wenn sie versuchen, zum Nachbarn zu wechseln. „Das gehört zur Zeit sicherlich zu den spannendsten Arbeiten mit Bose-Einstein-Kondensaten”, sagt Zimmermann.
Inzwischen basteln auch andere Forscher-Teams an dem Materiezustand, Steven Rolston vom NIST etwa oder Wolfgang Ketterle. Physiker nennen ihn Mott-Isolator. Sie kennen diesen Zustand von bestimmten Metallen, in denen einige besondere Elektronen sich frei bewegen und Strom leiten können. Doch stattdessen halten die Atome die Elektronen fest, weil die Atomkerne in diesen Metallen sehr groß sind und die besonderen Elektronen stark anziehen. In Blochs ultrakaltem Mott-Isolator sitzen die Atome selber an einem Ort fest. So wissen die Physiker genau, wo die Teilchen sind. Doch das hat seinen Preis: Die Quantenmechanik erlaubt zwar, beispielsweise den Ort eines Teilchens präzise festzulegen. Dann aber wird eine zweite Eigenschaft, sein Impuls (das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit), vollkommen unbestimmt. Obwohl nur Ort und Impuls zusammen ein Teilchen charakterisieren, kann niemand beide exakt kennen – das verbietet das Prinzip der Heisenberg’schen Unschärferelation.
Im Mott-Isolator sind es die Phasen, die unbestimmt bleiben. Sie legen den Takt fest, in dem die Teilchen schwingen – wie weit Berge und Täler der einzelnen Teilchenwellen zueinander verschoben sind. In Blochs Mott-Isolator schwingen sie vollkommen taktlos. Im BEK dagegen schwingen alle Teilchen im Gleichtakt. Dafür bleibt unscharf, wo sie gerade sind, und so tauchen sie auch schon mal beim Nachbarn auf. „Im Mott-Isolator bekommt man viel reichhaltigere Wellenfunktionen”, sagt Wolfgang Ketterle, der selber daran arbeitet, die einzige Wellenfunktion des BEK gezielt in zwei oder mehr Wellenfunktionen aufzuspalten. So wollen Physiker die ultrakalten Atome für den Quanten-Computer trimmen.
Wenn Bloch erzählt, wie er die Vielfalt nutzt, lässt er die Alltagsvorstellungen weit hinter sich. „Eigentlich sitzen an jedem Platz des Mott-Isolators zwei Versionen eines Atoms.” Der Wellencharakter der Atome macht dies möglich. Die beiden Versionen entsprechen Materiewellen, die senkrecht zueinander schwingen.
Mit den elektrischen Kräften eines Lasers packt Bloch die beiden Versionen einzeln – wie mit einer Pinzette – und verschiebt sie. Für den selektiven Griff müssen die Lichtwellen des Lasers ebenfalls in einer bestimmten Richtung schwingen. So rückt er also eine Version aller Teilchen um einen Platz zur Seite – und wieder zurück. Der Materiezustand wird dabei gleichsam für kurze Zeit verschmiert. Doch das heißt nicht, dass anschließend alles wieder so ist, als sei nichts geschehen. Denn von seinem kurzfristigen Aufenthalt am Nachbarort bringt das verschobene Teil-Atom etwas mit zu seiner daheim gebliebenen Hälfte: eine Information über den Zustand des Nachbarn. „Damit können wir Quanten-Gatter konstruieren”, sagt Bloch. Diese Bauteile würden ihre logische Arbeit nicht mehr Bit für Bit erledigen, sondern megabitweise. Für Berechnungen eröffnet dieser Quantensprung ungeheure Dimensionen.
Bis der Quantencomputer allerdings die kniffeligen Probleme von Klimaforschern, Kryptologen und Physikern angehen kann, werden noch Jahre vergehen. Vor zu großer Euphorie warnen denn auch einige Wissenschaftler: „Von dem, was uns jetzt als Anwendung vorschwebt, wird sich einiges als unrealistisch entpuppen”, sagt Zimmermann. „Das meiste, was wir mit dem BEK machen, ist absolute Grundlagenforschung.” Wenn dabei Anwendungen herauskämen, seien es wohl viel einfachere, als Physiker sie sich vorstellen. Aber, so Zimmermann: „Wer jetzt die richtige Idee hat, kann wahrscheinlich ein Vermögen machen.” Seine eigene Idee ist es, das BEK als neue Methode einzusetzen, um Oberflächen auf kleinste Unebenheiten zu prüfen.
Dass das Kondensat künftig mehr sein wird als ein Spielzeug der Grundlagenforscher, davon sind auch andere Forscher überzeugt: „Wir klären jetzt vor allem die technischen Details, um dann hoffentlich bald den nächsten Schritt machen zu können”, sagt Ketterle. Reichel verweist auf den Laser: Von dem habe es auch erst geheißen, er sei eine Lösung, die nach ihrem Problem suche.
KOMPAKT
• Ein Bose-Einstein-Kondensat (BEK) besteht aus ultrakalten Atomen. Nun kann es auf Mikrochips gebracht werden.
• Beim Versuch, das BEK für Atom-Laser und -Interferometer nutzbar zu machen, wurde ein bislang unbekannter magnetischer Effekt entdeckt.
• Manche Forscher gehen schon über das BEK hinaus – zum Mott-Isolator. In diesem neuen Zustand der Materie werden die Atome mit einem optischen Netz eingefangen und liegen dann sortiert vor wie in einem Eierkarton.
• Den Mott-Isolator versuchen Physiker nun so zu verändern, dass er als Quantencomputer rechnen kann.
Peter Hergersberg
