Die Forschergruppe des Physik-Nobelpreisträgers Wolfgang Ketterle hat am Massachusetts Institute of Technology ein langlebiges Bose-Einstein-Kondensat hergestellt. Damit ist im Prinzip die größte Hürde zur Herstellung eines kontinuierlichen Atomlaserstrahls überwunden. Ein Atomlaser sendet im Gegensatz zu optischen Lasern Strahlen kohärenter Atome aus und kann unter anderem zur Lithographie, für Materialanalysen und in Grundlagenversuchen der Quantenoptik angewendet werden. Die Arbeit der Forscher erscheint in einer der nächsten Ausgaben des Wissenschaftsblattes Science.
Zur Herstellung des langlebigen Kondensats teilten die Wissenschaftler ihren Experimentaufbau in eine “Produktionskammer” und eine “Untersuchungskammer” auf. Die Produktionskammer diente zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten durch Kühlung von Natriumatomen auf ungefähr 100 Nanokelvin. Das so erzeugte Kondensat wurde dann in dem Brennpunkt eines optischen Laserstrahls gefangen und in dieser sogenannten “optischen Pinzette” in die Untersuchungskammer transportiert. Während das Kondensat dort spektroskopisch untersucht wurde, stellten die Wissenschaftler ein weiteres Kondensat in der Produktionskammer her, welches daraufhin ebenfalls in die Untersuchungskammer transportiert wurde.
Mittels der stetigen Zuführung neuer Bose-Einstein-Kondensate in die Untersuchungskammer gelang es den Forschern, jeweils bis zu einer Million Atome in der Form eines Bose-Einstein-Kondensats zu halten, trotz des kontinuierlichen Zerfalls der älteren Kondensate. Das auf diese Weise hergestellte langlebige Kondensat ermöglicht die Erzeugung von kontinuierlichen Strahlen aus Bose-Einstein-Kondensaten: einen Atomlaser.
Bose-Einstein-Kondensate entstehen durch Abkühlung eines Gases aus Atomen mit ganzzahligem Spin (sogenannten Bosonen) auf fast den absoluten Nullpunkt. Die Atome eines derartigen Kondensats nehmen unterhalb der Übergangstemperatur alle den gleichen Quantenzustand an. Ihre einzelnen Wellenfunktionen weisen ein festes Phasenverhältnis zueinander auf ? die Atome sind kohärent ganz so wie die Photonen eines Lichtlaserstrahls. Selbst in den besten bisher erzeugten Kondensaten bricht diese Kohärenz allerdings nach Zeitspannen von mehreren zehn Sekunden zusammen ? das Bose-Einstein-Kondensat zerfällt in ein “normales” Gas. Daher konnten die Kondensate bisher nur zur Erzeugung von gepulsten “Atomlaserstrahlen” eingesetzt werden.
Stefan Maier
