Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neuer Atomlaser wird von Magnetfeldern nicht beeindruckt

18.12.2003


Aus einem besonderen Zustand der Materie, dem Bose-Einstein-Kondensat, lässt sich ein Atomlaser erzeugen. Doch bisher war mit den für die Anwendung interessanten Atomlasern nicht immer etwas anzufangen, weil sie empfindlich auf Magnetfelder reagieren. Dem Physiker Prof. Martin Weitz ist es mit einem Kunstgriff, einer "optischen Pinzette" und einem inhomogenen Magnetfeld, gelungen, Atomlaser zu erzeugen, die von Magnetfeldern unabhängig sind.



Tübinger Physiker veröffentlichen Forschungsergebnisse in den "Physical Review Letters"



Von Lasern ist immer häufiger die Rede. Sie tasten CDs beim Abspielen ab, helfen in der Medizintechnik beim Anschweißen der abgelösten Netzhaut im Auge oder bohren präzise auch winzige Löcher. Solche Laser funktionieren mit Licht. Im Gegensatz etwa zu einer Glühbirne produzieren Laser ein nahezu paralleles Lichtbündel aus Licht einer einzigen Farbe. Doch statt Licht lassen sich auch Atome zu einem Laser bündeln. Mit einem Atomlaser können Mikroskope mit besonders hoher Auflösung konstruiert werden oder auch Atominterferometer, mit denen sich zum Beispiel Gravitationsmessungen durchführen lassen. Allerdings waren Atomlaser in der Praxis bisher noch nicht gut einsetzbar, weil sie sehr empfindlich auf den Einfluss von magnetischen Streufeldern reagieren - und die sind praktisch überall. Jetzt ist es Prof. Martin Weitz vom Physikalischen Institut der Universität Tübingen mit seiner Forschergruppe, Giovanni Cennini, Gunnar Ritt und Carsten Geckeler, gelungen, einen Atomlaser zu konstruieren, der sich von Magnetfeldern nicht stören lässt. Die Ergebnisse ihrer einfallsreichen Experimente haben sie auch in der angesehenen Fachzeitschrift "Physical Review Letters" (Band 91, Nr. 24 vom 12. Dezember 2003) veröffentlicht.

Um einen Atomlaser herzustellen, braucht man zunächst ein Bose-Einstein-Kondensat. Das ist kein bestimmter Stoff, sondern ein besonderer Zustand der Materie, der weder als fest noch als flüssig oder gasförmig zu beschreiben ist und der bei sehr tiefen Temperaturen, dicht am absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius, auftreten kann. Dass es einen Materiezustand gibt, bei dem alle Atome den gleichen Energiezustand annehmen, hatten der indische Physiker Satyendra Nath Bose und Albert Einstein bereits 1923 theoretisch berechnet. Doch erst 1995 ist es gelungen, Bose-Einstein-Kondensate auch im Experiment zu erzeugen. Dafür erhielten die beiden Amerikaner Eric Cornell und Carl Wieman sowie der gebürtige Deutsche Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge 2001 den Physik-Nobelpreis. "Materie kann man physikalisch gesehen als ungeordnete Wellen beschreiben. Wenn man die Materie immer weiter abkühlt, finden sich die kleineren Wellen schließlich zu einer Riesenwelle zusammen, in der sich die Atome völlig gleichförmig verhalten. Das wird als Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet", erklärt Martin Weitz. Bildlich werden die Kondensate auch als "Atome im Gleichschritt" beschrieben, die - ähnlich wie disziplinierte Soldaten - alle das gleiche tun und nicht wild durcheinanderlaufen. Aus einem Bose-Einstein-Kondensat lässt sich ein Strahl von Atomen auskoppeln, ein Atomlaser. "Dass ein solcher Atomlaser empfindlich auf Magnetfelder reagiert, liegt daran, dass die Energie der Atome sozusagen "schwabbelt" wie das Wasser, wenn man in die Badewanne steigt", sagt Weitz. Münchner Forscher hätten dann mit Magnetfeldabschirmungen im Labor experimentiert, die aber sehr aufwendig seien. Die Tübinger Physiker wählten einen anderen Ansatz: Sie wollten die Atome senkrecht zu den Linien der Magnetfelder anordnen, denn in diesem Zustand werden sie vom Magnetfeld nicht beeinflusst. "Dieses Prinzip ist seit langem bekannt und wird zum Beispiel bei Atomuhren genutzt", sagt der Physiker.

Um Atome zu fangen, benutzen die Physiker, wie man es sonst bei Mäusen macht, eine Falle. "Bei den üblichen Magnetfallen wird ein inhomogenes Magnetfeld angelegt, bei dem die Feldlinien nicht gleichmäßig verlaufen", sagt Martin Weitz. Die Atome befänden sich dann in den drei so genannten Zeeman-Zuständen plus eins, null und minus eins. Doch nur im Zustand null stehen die Atome senkrecht zu den Magnetfeldlinien. Um an diese Atome heranzukommen, haben sich die Tübinger Wissenschaftler eine andere Vorgehensweise überlegt: Die Atome halten sie zunächst mit einer "optischen Pinzette" fest. Sie benutzen dafür Rubidium-Atome und einen fokussierten, also einen auf einen zentralen Punkt gerichteten Lichtlaser im Infrarotbereich als optische Dipolfalle. In dem Laserstrahl werden die Atome zu Dipolen, das heißt, die elektrischen negativen Ladungen sammeln sich auf der einen Seite des Atoms, die positiven auf der anderen. Die Rubidium-Atome werden durch das Laserlicht bereits stark gekühlt, wenn auch nicht stark genug, um ein Bose-Einstein-Kondensat zu erzeugen. "Wir hatten uns vorher in der Theorie überlegt, dass wir für dieses Experiment einen besonders stark fokussierten Laserstrahl benötigen, das war unser erster Trick bei dieser Sache", sagt Martin Weitz.

Noch immer hatten die Forscher unter den in der Pinzette festgehaltenen Atomen alle drei Zeeman-Zustände. "Während des Experimentierens sind wir dann darauf gekommen, dass wir nun zusätzlich ein inhomogenes Magnetfeld anlegen müssen, um die Atome im Zeeman-Zustand null von den anderen zu isolieren", erzählt der Wissenschaftler, wie sie auf den zweiten entscheidenden Trick kamen. Die Atome wurden nun weiter heruntergekühlt durch Erzeugung von Verdunstungskälte. "Dabei verdampfen die heißesten Atome am schnellsten, das sind die in den Zeeman-Zuständen plus eins und minus eins. Im Fokus des Lichtlasers befindet sich das Maximum des elektrischen Feldes, dort sammeln sich nun die gewünschten Atome im Zeeman-Zustand null", so der Forscher. Unterdessen werden beim weiteren Runterkühlen die Atome, die auch als Wellenpakete beschrieben werden können, immer länger. Bei 300 Nanokelvin, ganz dicht über dem absoluten Nullpunkt, entsteht aus den Wellenpaketen eine Riesenwelle, ein Bose-Einstein-Kondensat. Im Kondensat sind dann nur noch Atome im Zeeman-Zustand null, die sich von Magnetfeldern nicht beeindrucken lassen. Schließlich wird die optische Pinzette abgeschwächt, die Atome purzeln sozusagen in einem Strahl herunter - der Atomlaser ist fertig und von Magnetfeldern unabhängig.

Die lange Beschreibung entspricht allerdings nicht den Echtzeiten des Experiments: "In der optischen Pinzette können wir die Atome ungefähr fünf Sekunden festhalten, der Atomlaserstrahl mit 5000 bis 10 000 Atomen besteht 10 bis 20 tausendstel Sekunden", sagt Martin Weitz. Das ist sehr kurz, reicht aber für die ersten Versuche. "Das ist einfach eine Frage der Dimension. Für Anwendungen des Atomlasers braucht man ein größeres Bose-Einstein-Kondensat, also einen größeren Lichtlaser für die Vorkühlung der Atome", erklärt er. Die bisherige Grundlagenforschung liegt dicht an möglichen Anwendungen. Die Tübinger Physiker, die durch die Finanzierung eines Schwerpunktes der Landesstiftung inzwischen einen größeren Lichtlaser zur Verfügung haben, reizen jedoch auch grundlegende Forschungen: Sie wollen nun prüfen, ob sich die gewonnenen Erkenntnisse für den Bau eines besonders schnellen und leistungsfähigen Quantencomputers nutzen ließen. (6754 Zeichen)

Nähere Informationen:

Prof. Martin Weitz
Physikalisches Institut
Auf der Morgenstelle 14
72076 Tübingen
Telefon 07071/29762-65
Fax 07071/295829
E-Mail: martin.weitz@uni-tuebingen.de

Michael Seifert | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-tuebingen.de
http://www.uni-tuebingen.de/uni/qvo/pd/pd.html

Weitere Berichte zu: Atomlaser Bose-Einstein-Kondensat Lichtlaser Magnetfeld

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Drei Generationen an Sternen unter einem Dach
27.07.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Physiker designen ultrascharfe Pulse
27.07.2017 | Universität Innsbruck

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Physiker designen ultrascharfe Pulse

Quantenphysiker um Oriol Romero-Isart haben einen einfachen Aufbau entworfen, mit dem theoretisch beliebig stark fokussierte elektromagnetische Felder erzeugt werden können. Anwendung finden könnte das neue Verfahren zum Beispiel in der Mikroskopie oder für besonders empfindliche Sensoren.

Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht und Röntgenstrahlung sind Beispiele für elektromagnetische Wellen. Für viele Anwendungen ist es notwendig, diese Strahlung...

Im Focus: Physicists Design Ultrafocused Pulses

Physicists working with researcher Oriol Romero-Isart devised a new simple scheme to theoretically generate arbitrarily short and focused electromagnetic fields. This new tool could be used for precise sensing and in microscopy.

Microwaves, heat radiation, light and X-radiation are examples for electromagnetic waves. Many applications require to focus the electromagnetic fields to...

Im Focus: Navigationssystem der Hirnzellen entschlüsselt

Das menschliche Gehirn besteht aus etwa hundert Milliarden Nervenzellen. Informationen zwischen ihnen werden über ein komplexes Netzwerk aus Nervenfasern übermittelt. Verdrahtet werden die meisten dieser Verbindungen vor der Geburt nach einem genetischen Bauplan, also ohne dass äußere Einflüsse eine Rolle spielen. Mehr darüber, wie das Navigationssystem funktioniert, das die Axone beim Wachstum leitet, haben jetzt Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) herausgefunden. Das berichten sie im Fachmagazin eLife.

Die Gesamtlänge des Nervenfasernetzes im Gehirn beträgt etwa 500.000 Kilometer, mehr als die Entfernung zwischen Erde und Mond. Damit es beim Verdrahten der...

Im Focus: Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwandeln Strom in leuchtende Quasiteilchen

Starke Licht-Materie-Kopplung in diesen halbleitenden Röhrchen könnte zu elektrisch gepumpten Lasern führen

Auch durch Anregung mit Strom ist die Erzeugung von leuchtenden Quasiteilchen aus Licht und Materie in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen möglich....

Im Focus: Carbon Nanotubes Turn Electrical Current into Light-emitting Quasi-particles

Strong light-matter coupling in these semiconducting tubes may hold the key to electrically pumped lasers

Light-matter quasi-particles can be generated electrically in semiconducting carbon nanotubes. Material scientists and physicists from Heidelberg University...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

10. Uelzener Forum: Demografischer Wandel und Digitalisierung

26.07.2017 | Veranstaltungen

Clash of Realities 2017: Anmeldung jetzt möglich. Internationale Konferenz an der TH Köln

26.07.2017 | Veranstaltungen

2. Spitzentreffen »Industrie 4.0 live«

25.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Basis für neue medikamentöse Therapie bei Demenz

27.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Aus Potenzial Erfolge machen: 30 Rittaler schließen Nachqualifizierung erfolgreich ab

27.07.2017 | Unternehmensmeldung

Biochemiker entschlüsseln Zusammenspiel von Enzym-Domänen während der Katalyse

27.07.2017 | Biowissenschaften Chemie