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Kristalle aus lichtgebundener Materie

In einem Überlagerungsmuster aus stehenden Lichtwellen lassen sich extrem gekühlte Atome zu einem regelmäßigen Kristallgitter zusammenfügen. Sie bilden damit ein einzigartiges Quantensystem für die Grundlagenforschung mit möglichen Anwendungen etwa in der Lithographie.

Daß Licht auf Materie Kräfte ausübt ist seit langem bekannt. Sein Strahlungsdruck ruft zum Beispiel den Sonnenwind und einen der beiden Schweife von Kometen hervor. Arthur Ashkin zeigte Anfang der siebziger Jahre an den AT&T-Bell-Laboratorien in Murray Hill (New Jersey), daß die vom Licht ausgehenden Kräfte sogar stark genug sind, wenige Mikrometer (tausendstel Millimeter) große, durchsichtige, in Wasser suspendierte Plastikkugeln im Intensitätmaximum von Laserstrahlen einzufangen ("Scientific American", Februar 1972, Seite 62). Wie sich später herausstellte, ziehen sich die derart festgehaltenen Plastikkugeln unter dem Einfluß des Lichts gegenseitig an und schließen sich zu quasikristallinen Einheiten zusammen.

Steven Chu und seine Mitarbeiter an der Stanford-Universität in Kalifornien wiesen 1986 schließlich nach, daß sich im Fokus eines Laserstrahls auch große biologische Moleküle fangen und gezielt manipulieren lassen (Spektrum der Wissenschaft, April 1992, Seite 68). Nachdem die Wissenschaftler beispielweise an weit auseinanderliegenden Enden eines Strangs der Erbsubstanz DNA chemisch Polystyrolkugeln angebracht hatten, konnten sie das helikal gewundene Molekül mit Hilfe von zwei fokussierten Laserstrahlen auseinanderziehen. Solche Lichtpinzetten (optical tweazers) haben in der Biologie inzwischen einige Bedeutung erlangt.

Daß es sogar möglich sein sollte, einzelne Atome in den Intensitätsmaxima stehender Lichtwellen festzuhalten, vermuteten erstmals in den siebziger Jahren Vladilen S. Letokhov und Vladimir G. Minogin am Institut für Spektroskopie der Akademie der Wissenschaften der UdSSR in Troitsk bei Moskau. Diese Idee eröffnete die interessante Aussicht auf einen neuen Typ von Materie, in dem Atome durch Licht statt durch chemische Bindungskräfte in periodischen Kristallstrukturen angeordnet würden. Um stillzuhalten, müßten die Atome allerdings auf wenige Mikrokelvin (millionstel Grade über dem absoluten Temperaturnullpunkt bei -273,15 Grad Celsius) abgekühlt werden. Das schien damals noch völlig illusorisch.

Doch schon wenig später unterbreiteten Arthur L. Schawlow (Nobelpreis für Physik 1981) von der Stanford-Universität und sein damaliger Mitarbeiter Theodor W. Hänsch (heute an der Universität München) einen genialen Vorschlag, wie man das Licht selbst dazu verwenden könne, Atome auf extrem tiefe Temperaturen abzukühlen (Spektrum der Wissenschaft, April 1984, Seite 74). Die mit dieser Methode erstmals 1985 hergestellten Atom-Ensembles waren mit Temperaturen von wenigen hundert Mikrokelvin für damalige Verhältnisse extrem kalt, aber immer noch nicht kalt genug, um Atome in den Intensitätsmaxima stehender Lichtwellen einzufangen und in eine kristalline Ordnung zu zwingen.

Erst überraschende Beobachtungen in den Forschungsgruppen von Claude Cohen-Tannoudji und Gilbert Grynberg an der École Normale Superieur in Paris zeigten 1992, daß Atome mit einer bestimmten inneren Struktur in speziellen eindimensionalen optischen Stehwellen, deren Polarisation in geeigneter Weise variiert, an Orten zirkularer Polarisation festgehalten werden können. Dabei sorgt ein raffiniertes Zusammenspiel mehrerer atomarer Niveaus, die mit verschiedenen Polarisationskomponenten des Lichts interagieren, für den erforderlichen äußerst effizienten Kühlmechanismus.

Kurz darauf vermochten Hänsch und ich an der Universität München erstmals zwei- und dreidimensionale optische Kristalle aus wenige Mikrokelvin kalten Rubidium-Atomen zu erzeugen. Das nötige infrarote Licht nahe der Resonanzwellenlänge von 0,78 Mikrometern lieferten kleine Halbleiterlaser, wie sie in CD-Spielern verwendet werden. Solche preiswerten Miniaturlaser ermöglichen heute Experimente, die vor wenigen Jahren noch undenkbar schienen.

Wir setzten ein vorgekühltes atomares Gas im Zentrum einer kleinen evakuierten Stahlkammer (Bild 1) zwei senkrecht zueinander orientierten eindimensionalen stehenden Lichtwellen aus, wie man sie einfach dadurch erhält, daß man zwei Laserstrahlen aus entgegengesetzten Richtungen überlagert (Bild 2 links). Die Polarisierung dieser beiden Stehwellen war um 90 Grad verdreht, und zwischen ihren Schwingungen bestand eine zeitliche Verzögerung von einer viertel Schwingungsdauer. Unter diesen Bedingungen erzeugten sie in der von ihnen aufgespannten Ebene ein quadratisches Gitter aus Orten zirkularer Polarisation mit alternierendem Drehsinn, die eine halbe optische Wellenlänge voneinander entfernt waren (Bild 2 Mitte).

Diese wirkten als lichtinduzierte Potentialtöpfe, in denen die Atome gefangen wurden und hin und her schwangen. Wegen des alternierenden Drehsinns der zirkularen Polarisation sind die magnetischen Momente benachbarter Atome ähnlich wie in einem antiferromagnetischen Festkörper entgegengesetzt ausgerichtet.

Durch Hinzufügen einer dritten – diesmal zirkular polarisierten – stehenden Lichtwelle senkrecht zur Ebene der beiden ersten ließ sich das Gitter leicht auf drei Dimensionen erweitern. Dabei kann man durch Variation der Phasendifferenzen zwischen den Stehwellen verschiedene kubische Kristallgeometrien realisieren, zum Beispiel das raumzentrierte Gitter aus Bild 2 rechts. In diesem Falle sind die atomaren magnetischen Momente wie in einem Ferromagneten allerdings parallel ausgerichtet. Jüngst haben Grynberg und seine Mitarbeiter auch hexagonale Gitter erzeugt.

In den lichtinduzierten Potentialtöpfen können die Atome aufgrund quantenmechanischer Effekte nur noch mit ganz bestimmten Frequenzen hin und her pendeln, was sich in eindrucksvoller Wei-se spektroskopisch demonstrieren läßt. Auch auf dem energetisch tiefsten Niveau sind sie dabei nicht in Ruhe, sondern führen die sogenannte Nullpunktschwingung aus. Allerdings darf man sich ein solches Atom eigentlich nicht mehr als kleinen starren Körper vorstellen, der wie eine Kugel in einer Schale hin und her rollt. Vielmehr gleicht es einer stehenden Welle, die als ausgedehntes Gebilde die Lichtfalle ausfüllt und je nach Energieniveau unterschiedlich viele Knoten hat.

Die Rollen von Licht und Materie aus der klassischen Wellenoptik sind dabei gewissermaßen vertauscht: Während in einem typischen Instrument der Wellenoptik, dem Fabry-Perot-Resonator, Lichtwellen zwischen materiellen Spiegeln hin und her reflektiert und dadurch gespeichert werden, sind es hier Materiewellen, die sich quasi an Lichtschranken spiegeln. Dabei sind sie über eine Strecke verschmiert, die etwa 350mal größer ist als die Schwingungsamplitude des entsprechenden Atoms in einem echten Kristallgitter, aber ungefähr 15mal kleiner als eine optische Wellenlänge.

Wie aus einer Fülle von Experimenten aus allerjüngster Zeit hervorgeht, bilden optische Kristalle ein einzigartiges Quantensystem für die Grundlagenforschung; denn sie sind genügend elementar, um sich durch näherungsfreie Ab-initio-Rechnungen behandeln zu lassen, und haben zugleich eine komplexe Quantenstruktur ähnlich derjenigen von Festkörpern. Wie ihre realen Gegenstücke streuen optische Kristalle zum Beispiel elektromagnetische Strahlung passender Wellenlänge unter bestimmten Winkeln (Bragg-Streuung). Zudem ließen sich fundamentale Konzepte der Quantenphysik von Festkörpern an ihnen erstmals einwandfrei experimentell überprüfen. Dazu zählt etwa, daß Quantenteilchen in einem periodischen Potential auf eine zusätzliche konstante Kraft unter gewissen Umständen mit einer oszillierenden Bewegung (Bloch-Oszillation) reagieren statt mit einer gradlinigen Beschleunigung, wie es die Newtonsche Mechanik verlangen würde.

In den bisher erzeugten optischen Kristallen ist typischerweise nur jeder zwanzigste Gitterplatz besetzt, so daß die einzelnen Atome kaum etwas voneinander wahrnehmen. Was aber passiert, wenn die Besetzungsdichte so groß wird, daß die stehenden Materiewellen benachbarter Atome sich überlappen? Dies ist das Regime der Quantenstatistik, die besagt, daß Teilchen mit ganzzahligem Spin (Eigendrehimpuls) in diesem Falle ein großes Bestreben haben, denselben Quantenzustand bezüglich ihrer Bewegung einzunehmen.

Diese Bose-Einstein-Kondensation wurde erst kürzlich bei Gasen in magnetischen Fallen erreicht (Spektrum der Wissenschaft, September 1995, Seite 32, und November 1996, Seite 16). In optischen Kristallen ließ sie sich dagegen bisher nicht realisieren. Füllt man mehr und mehr Atome in das laserinduzierte Gitter, so stört das von ihnen emittierte Fluoreszenzlicht den Kühl- und Speichermechanismus. Bei der geglückten Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats wurde deshalb als letzter Kühlschritt ein zeitraubendes nicht-optisches Verfahren verwendet.

Eine schnelle optische Methode wäre jedoch nach wie vor wünschenswert, weil sich wohl nur damit eine intensive kontinuierliche Quelle interferenzfähiger Materiewellen – das Analogon zum Dauerstrichlaser – konstruieren ließe. Aus diesem Grunde haben meine Mitarbeiter und ich nach alternativen optischen Kühl- und Speichermechanismen gesucht, bei denen die Fluoreszenzrate weit geringer ist.

Tatsächlich konnten wir vor etwa einem Jahr einen neuartigen Typ von optischem Kristall verwirklichen, der praktisch nicht mehr fluoresziert. Die nächste Serie von Experimenten sollte nun erweisen, ob sich solche Kristalle lückenlos mit Atomen füllen lassen. Wenn ja, ergäbe sich die Möglichkeit zu einer Vielzahl neuer hochinteressanter Experimente über grundlegende Fragen der Quantenmechanik. Auch technische Anwendungen wären denkbar – etwa in der Lithographie, bei der es um die Herstellung extrem kleiner geordneter Strukturen geht. Ohne Zweifel werden optische Kristalle auch künftig von sich reden machen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 1997, Seite 32
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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