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Quantenoptik: Kamera zeigt Bose-Einstein-Kondensat

Gefangenes QuantengasLaden...
Ein neues Lasermikroskop erstellt Momentaufnahmen ultrakalter Gase, indem es deren Atome kurzzeitig in ihrer Bewegung einfriert. Die einzelnen Gasteilchen lassen sich dabei rund zehnmal so präzise orten wie mit bisherigen Methoden und geben direkten Einblick in Prozesse der Quantenphysik.

Optisches FanggitterLaden...
Optisches Fanggitter | Mit Hilfe optischer Gitter lassen sich Atome in regelmäßigen Abständen von einigen Mikrometern anordnen. Die einfallenden Lichtteilchen in den beleuchteten Zonen erzeugen eine abstoßende Kraft (im Bild symbolisiert durch Erhebungen), welche die Atome in den dunklen Bereichen einsperrt.
Markus Greiner von der Harvard University in Cambridge und seine Mitarbeiter kühlten Rubidiumatome nahe einer Glasfläche bis auf wenige milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab und erzeugten so ein zweidimensionales Bose-Einstein-Kondensat. In diesem Zustand besitzen einzelne Teilchen keine getrennten Positionen mehr, sondern nehmen gemeinsam jeden Punkt der Ebene gleichzeitig ein. Mit einem Laser und einer Schablone warfen die Forscher nun ein Schachbrettmuster aus hellen und dunklen Flächen auf die Atome und zwangen diese damit, sich erneut feste Orte im Raum zu suchen – ähnlich einem Eierkarton, der umherspringende Tischtennisbälle einfängt. Gleichzeitig brachte der Laser das Rubidium zum Leuchten, wodurch eine Mikroskopkamera die Teilchen erfassen konnte.

Eingefangenes QuantengasLaden...
Eingefangenes Quantengas | Jede nicht vom Laser bestrahlte Fläche bildet eine Falle für genau ein Rubidiumatom. Der Abstand dieser "Löcher" beträgt 640 Nanometer. Da ihre Zahl die der Atome übersteigt, bildet das gefangene Bose-Einstein-Kondensat ein zufälliges Muster von besetzten und unbesetzten Orten.
Das entstehende Muster aus besetzten und unbesetzten Flächen ist grundsätzlich zufällig, da die Teilchen des Quantengases bis zu ihrem Einfang keine Ortsinformation besitzen. Dennoch gehorcht ihre Anordnung den Gesetzen der Wahrscheinlichkeit, weshalb sie sich gleichmäßig verteilen. Lichtpulse, elektrische Felder oder andere Teilchen können jedoch das Bose-Einstein-Kondensat manipulieren und ein verändertes Muster erzeugen. Physiker hoffen, so in Zukunft Quantencomputer zu bauen, die direkt mit Wahrscheinlichkeiten rechnen können, anstatt dabei wie bisher auf komplexe mathematische Formeln angewiesen zu sein. Das Verfahren der Harvard-Forscher könnte dazu dienen, die Ergebnisse solcher Berechnungen auszulesen. (rs)

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  • Quellen
Bakr, W. S. et al.: A quantum gas microscope for detecting single atoms in a Hubbard-regime optical lattice. In: Nature 462, S. 74–77, 2009.

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