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News: Atomzigarre als Superuhr?

Theoretische Physiker in Arizona und Innsbruck haben eine Methode vorgeschlagen, Strahlen aus Atomen mit einem ganz besonderen Merkmal herzustellen. Bestimmen die Forscher durch eine Messung den Zustand eines der paarweise auftretenden Atome, so legt das im selben Moment auch den des anderen fest. Die Wissenschaftler sprechen von so genannten "verschränkten" Atomstrahlen. Mit deren Hilfe wird sich eventuell in der Zukunft eine Atomuhr mit bislang ungeahnter Genauigkeit verwirklichen lassen.
Die Quantenmechanik hat ihre eigenen Gesetze und Eigenarten, die oftmals überhaupt nicht mit unseren Erfahrungen des Alltags in Einklang zu bringen sind. So kann es beispielsweise sein, dass zwei Teilchen räumlich voneinander getrennt ihr Dasein fristen, aber trotzdem durch eine ganz besonders intime Beziehung miteinander verbunden sind. Die Teilchen bilden ein so genanntes verschränktes System. Beeinflusst man den einen Partner zum Beispiel durch eine Messung, so spürt der andere das sofort, selbst wenn er sich gerade am anderen Ende des Universums befindet. Bislang haben Wissenschaftler auf experimentellem Weg in erster Linie verschränkte Photonenpaare erzeugt. Die Bestimmung der Polarisationsebene des einen Photons legt auf wundersame Weise die des anderen Photons fest. Eine große Menge dieser Photonen-Paare bilden Lichtstrahlen, mit deren Hilfe Physiker bereits die so genannten Bellschen Ungleichungen, die verschränkte Zwei-Teilchen-Systeme beschreiben, überprüft haben.

Soweit zu den Photonen. Atome hingegen haben die Forscher in der Vergangenheit als verschränktes System eher stiefmütterlich behandelt und das, obwohl sie für eine etwaige Anwendung vielleicht sogar besser geeignet wären als ihre Cousins die Photonen, da sie weniger empfindlich auf äußere Störungen reagieren. Ein Team der University of Arizona in Tuscon und eines der Universität Innsbruck haben nun unabhängig voneinander ein Rezept zur Herstellung eines verschränkten Atomstrahls vorgeschlagen (Physical Review Letters vom 6. November 2000 Abstract P. Zoller et al., Abstract H. Pu et al.). Beide Gruppen gehen von einem Bose-Einstein-Kondensat aus, einer Atomwolke, bei der alle Atome die gleiche, niedrigst mögliche Energie besitzen, also im Grundzustand vorliegen. Die Spinquantenzahl der Atome in dem Kondensat ist Null. Die Idee der Wissenschaftler ist es nun, das Kondensat mit Mikrowellen von außen energetisch anzuregen. So kommt es zu Stößen zwischen den Atomen, wobei sich ihr Spin ändert. Nach dem Stoß hat das eine Atom den Spin +1 und das andere den Spin -1. In der Summe bleibt die Spinquantenzahl 0 also erhalten. Im Vergleich zum Grundzustand für ein Teilchen des Spins 0 liegen die Grundzustände von Spin +1 und Spin -1 energetisch tiefer. Die beim Stoß frei werdende Differenzenergie erhöht die kinetische Energie und damit die Geschwindigkeit der Atome, die schnell das Bose-Einstein-Kondensat in entgegesetzter Richtung verlassen. Nach Han Pu aus der Gruppe in Tuscon würde sich ein zigarrenförmiges Kondensat als besonders ergiebig erweisen. Hier entfliehen besonders viele Atome in Richtung der Zigarrenachse. Das Team in Innsbruck um Ignacio Cirac und Peter Zoller konnte rechnerisch nachweisen, dass der Gesamtspin des Systems genau Null ist und die Fluktuationen viel kleiner sind, als für klassische Atome zu erwarten wäre.

Mikhail Lukin vom Havard-Smithsonian Center for Astrophysics meint, dass die Ergebnisse, "ein neues Kapitel in der Physik nicht-klassischer Zustände öffnen könnten." Laut Lukin ist es aufgrund der unterdrückten Spinfluktuationen möglich, extrem genaue Atomuhren herzustellen. Denn gerade diese Fluktuationen schränken die Präzision der heutigen Uhren ein. Verschränkte Atomstrahlen könnten außerdem ein vielversprechendes Werkzeug auf dem Weg zum Quantencomputer sein.

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