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Bose-Einstein-Kondensat tunnelt à la Josephson

Ein Bose-Einstein-Kondensat, das in einer vertikalen stehenden Lichtwelle gefangen ist, gibt unter dem Einfluß der Gravitation periodisch kohärente Atompulse ab. Dieses Phänomen, das dem Josephson-Effekt bei Supraleitern entspricht, ebnet einen Weg zum gepulsten Atomlaser.


Die Erforschung des vierten Aggregatzustandes der Materie – nach fest, flüssig und gasförmig – macht rasante Fortschritte. Erst 1995 war es einer Wissenschaftlergruppe in Boulder (Colorado) gelungen, etwa 2000 Rubidium-Atome auf weniger als 100 Nanokelvin (milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt bei -273,15 Grad Celsius) abzukühlen und so für etwa zehn Sekunden ein Bose-Einstein-Kondensat in der Gasphase zu realisieren. Kurz darauf erzeugte eine Gruppe am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge bereits Kondensate aus mehr als zehn Millionen Natriumatomen.

Die quantenmechanischen Wellenfunktionen der Teilchen verschmelzen dabei zu einer einzigen makroskopischen Funktion: Die einzelnen Atome sind nicht mehr unterscheidbar, und ihre physikalischen Eigenschaften wie Ort und Geschwindigkeit werden gleich. Schon 1925 hatten die Physiker Satyendra Bose und Albert Einstein dieses Phänomen postuliert (siehe "Die Bose-Einstein-Kondensation", Spektrum der Wissenschaft, Mai 1998, S. 44). Seine Realisierung nach 70 Jahren war nicht nur eine glänzende Bestätigung dieser Vorhersage; sie machte auch das Wirken der Quantenmechanik, das zumeist in exotische Alltagsferne entrückt ist, im makroskopischen Bereich wahrnehmbar und auf überzeugende Art anschaulich.

Nun kennt man makroskopische Quantenphänomene, die in den Alltag hineinreichen, auch aus anderen Zusammenhängen. Das wichtigste Beispiel ist die Supraleitung: der widerstandslose Stromfluß bei tiefen Temperaturen infolge der korrelierten Bewegung von Elektronen im Festkörper – insbesondere durch Bildung von Elektronenpaaren. Brian Josephson sagte 1962 voraus, daß solche Paare unter bestimmten Bedingungen durch eine dünne isolierende Schicht von einem Supraleiter in einen anderen "tunneln" können. Der wenig später experimentell bestätigte Effekt ist ein Beispiel für das in der Quantenmechanik mögliche Durchdringen einer Potentialbarriere.

Ähnlich den korrelierten Elektronen im Supraleiter befinden sich auch die Atome im Bose-Einstein-Kondensat in einem kohärenten makroskopischen Quantenzustand, und so stellte sich die Frage, ob ein solches Kondensat aus Atomen gleichfalls quantenmechanische Barrieren zu durchtunneln vermag. Daß dies in der Tat möglich ist, haben nun Mark A. Kasevich und Brian P. Anderson von der Yale-Universität in New Haven (Connecticut) bewiesen (Science, Bd. 282, S. 1686). Zugleich erzielten sie in ihrem Experiment die gleichmäßige Abgabe kohärenter Atompulse und realisierten so für kurze Zeit einen gepulsten Atomlaser (Bild).

Das Kondensat aus etwa 10000 Rubidium-87-Atomen erzeugten Kasevich und Anderson mit den üblichen Laserkühlungs- und Einfangmethoden. Zum Einschluß der ultrakalten Atome verwendeten sie zunächst eine Magnetfalle, ersetzten diese aber dann durch ein optisches Gitter aus stehenden Laserlichtwellen. Dessen Potentialberge entsprachen der isolierenden Schicht bei Josephson-Kontakten. Während es dort nur zwei Mulden gibt, enthielt die vertikale stehende Lichtwelle von Kasevich und Anderson allerdings etwa 30 Täler, über die sich die Atome des Kondensats verteilten. Sie bildeten dabei Teilkondensate, die eine feste Phasenbeziehung zueinander hatten und miteinander interferierten.

Die Rolle der äußeren Gleichspannung beim Josephson-Effekt übernahm die Gravitationskraft. Unter ihrem Einfluß wurden die Atome des Kondensats, die kohärent mit der Josephson-Frequenz in den Potentialtälern schwangen, in Gruppen am unteren Ende des Lichtwellenfeldes ins Kontinuum emittiert. Da sie eine feste Phasenbeziehung zueinander hatten, ergab sich eine völlig regelmäßige Pulsfolge: Alle 1,1 Millisekunden entwich ein Paket von etwa 1000 Atomen. Ansatzweise wurde also ein gepulster Atomlaser realisiert; ähnliches war erstmals 1997 der Gruppe um Wolfgang Ketterle am Massachusetts Institute of Technology geglückt.

Abgesehen vom Atomlaser, dürfte das Ergebnis von Kasevich und Anderson eine weitere wichtige praktische Anwendung haben. Der Josephson-Effekt erlaubte es seinerzeit, Spannungsmessungen auf Frequenzmessungen zurückzuführen und auf diese Weise hochgenaue Spannungsnormale zu konstruieren. Sein atomares Analogon eröffnet nun die Aussicht, die Gravitationskraft und schwache interatomare Wechselwirkungen mit höchster Präzision bestimmen zu können.

Auch auf dem Weg zu einem kontinuierlichen Atomlaser gibt es Fortschritte. So haben William Phillips und sein Team am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg (Maryland) einen quasikontinuierlichen Atomlaser gebaut (Science, Bd. 283, S. 1706). Außerdem konnte eine Gruppe um Theodor Hänsch an der Universität München und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erstmals einen kollimierten monoenergetischen Rubidium-Atomlaserstrahl aus einem Bose-Einstein-Kondensat auskoppeln (siehe "Bild des Monats" auf S. 30). Die Wissenschaftler konstruierten dazu eine neuartige Quadrupolfalle, aus der durch die Wirkung eines schwachen Radiofrequenzfeldes kontinuierlich für (zunächst nur) bis zu einer zehntel Sekunde Dauer ein zwei bis drei Millimeter langer Strahl austritt. Wie beim Yale-Atomlaser werden die Atome im Gravitationsfeld beschleunigt. Bei Temperaturen, die deutlich unter der kritischen Temperatur für den Phasenübergang zum Kondensat liegen, wird der Strahl sehr intensiv. Seine einzigartigen Eigenschaften sollten neue Experimente auf den Gebieten der Atomoptik und der Quantenstatistik ermöglichen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 5 / 1999, Seite 24
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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