Physiker der Universität Bonn konnten erstmals aus den chaotischen Schwingungen von Quantengasen eine gradlinige Bewegung erzeugen. Die Methode der Forscher um Martin Weitz arbeitet ähnlich einer mechanischen Ratsche und sperrt Bewegung entgegen der Zielrichtung. Die neuen Erkenntnisse könnten zukünftig für Nanomotoren interessant sein, die nur aus wenigen Atomen zusammengesetzt sind.
Klassische Teilchenratsche | In der Nicht-Quantenwelt lässt sich eine Ratsche für Teilchen leicht als eine Reihe von schiefen Ebenen darstellen, die abwechselnd ein- und ausgeklappt werden. Während der flachen Phasen können die Teilchen frei umherspringen, und während die schiefen Ebenen existieren, rollen sie in Richtung der Täler. Auf diese Weise bewegen sie sich bei jedem Zyklus etwas weiter nach links.
Die Quantenratsche der Physiker besteht aus Laserstrahlen, die derart überlappten, dass sie für die Teilchen ein sich wiederholendes Muster aus anziehenden und abstoßenden Flächen schaffen – bildlich vergleichbar mit einem Sägeblatt aus Dreieckszähnen. Längere Schrägen, auf denen die Teilchen in eine Richtung "rutschen", wechseln sich ab mit steilen Anstiegen, die ihr Weiterkommen blockieren. Bei Abschalten des Lasers verschwinden die Zähne, und einige der Teilchen gelangen durch ihre zufälligen Bewegung auf die andere Seite der vormaligen Steigung. Wechselndes An- und Ausschalten der Zähne bewirkt so, dass die Atome von einer Schräge zur nächsten weitergereicht werden und sich langsam in Richtung der Gefälle bewegen.
Bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunks funktioniert dieses anschauliche System jedoch nicht mehr ohne Weiteres. Die Atome sind nun keine greifbaren Teilchen mehr, sondern nehmen als diffuses Quantengas jeden Punkt im Raum gleichzeitig ein. Auch die Zeit besitzt für sie keine eindeutige Richtung mehr, und sie würden sich auf der Ratsche gleichzeitig vorwärts und rückwärts bewegen – im Mittel also stillstehen. Dies vermieden Weitz und seine Mitarbeiter, indem sie die Laser nicht abrupt und regelmäßig ein- und ausschalteten, sondern seine Intensität im Wechsel langsam steigen und schnell fallen ließen. Der Zeitablauf war auf diese Weise vorwärts und rückwärts betrachtet nicht mehr identisch, und die Teilchen bevorzugten daher nun auch eine Raumrichtung.
Anschauliche Darstellung der Quantenratsche | Das Quantengas der Forscher war ein Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidiumatomen. Darin wirkt die Ratsche nicht mehr nur in eine Richtung, sondern treibt die Atome sowohl vor als auch zurück. Bei unterschiedlichen An- und Ausschaltzeiten der Laser sind jedoch auch die Kräfte der beiden Richtungen verschieden – bildlich vorzustellen als Reihe gegensätzlich laufender Fließbänder: Solange die Bänder in eine Richtung schneller laufen, bewegt sich das gesamte Gas dorthin.
Für den Bau immer kleinerer beweglicher Teile könnten die Erkenntnisse der Bonner Physiker zukünftig von Bedeutung sein, denn je näher solche Maschinen dem Maßstab einzelner Atome kommen, umso mehr müssen Konstrukteure Quanteneffekte berücksichtigen. (rs)
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Quellen
Links im Netz
Lexika
Salger, T. et al.: Directed Transport of Atoms in a Hamiltonian Quantum Ratchet. In: Science 326, S. 1241–1243, 2009.
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