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News: Laserstrahl aus Materie wird Realität

Die Erfindung des optischen Lasers hat die Physik und die Technik revolutioniert. Jetzt nutzen Wissenschaftler auch die Welleneigenschaft von Materie, um erste Laser zu konstruieren, die mit Atomen schießen, statt mit Licht.
Physikern am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und an der Universität München ist es gelungen, den weltweit ersten Laser zu realisieren, der einen kontinuierlichen Materiestrahl statt eines Lichtstrahles aussendet. Diese verblüffende Kontrolle über die Bewegung von Atomen wird durch die Gesetze der Quantenmechanik bei einer Temperatur nahe am absoluten Nullpunkt möglich, bei der die Wellennatur der Materie deutlich zu Tage tritt.

Mit dem Atomlaser eröffnen sich in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten völlig neue Dimensionen. Beispielsweise lassen sich durch direktes Ablegen von Atomen auf Oberflächen feinste Nanostrukturen erzeugen, wie sie für zukünftige Computerbausteine benötigt werden. Auch wird es möglich sein, mit Atomlasern hochpräzise Atomuhren für die nächste Generation von Navigationssystemen zu bauen.

In ihrem Experiment können die Wissenschaftler Tilman Esslinger, Immanuel Bloch und Theodor W. Hänsch den Schattenwurf des Atomlaserstrahles direkt abbilden. Der gebündelte Strahl enthält fast eine halbe Million Atome und wird durch das Schwerefeld der Erde abwärts beschleunigt. Ähnlich wie Lichtstrahlen lassen sich auch Atomstrahlen fokussieren oder umlenken, was mit Hilfe von Linsen und Spiegeln aus reinem Licht möglich ist. Ein Atomlaserstrahl sollte sich im Prinzip auf den millionsten Teil eines Millimeters fokussieren lassen, d.h. auf einen tausendmal kleineren Bereich als es mit einem Laserstrahl aus Licht möglich ist.

Eine Grundlage für die Entwicklung des Atomlasers ist die Bose-Einstein-Kondensation. Beim Abkühlen eines Gases auf weniger als ein millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt verlieren die einzelnen Atome ihre Identität, d.h. sie verhalten sich wie eine einzige Einheit und bilden eine Art "Superatom".

Die Bose-Einstein-Kondensation konnte 1995 von amerikanischen Physikern an der Universität von Boulder erstmals erzeugt werden. Beim Münchner Experiment wird ein Rubidiumgas geringer Dichte in einen ausgeklügelten Magnetkäfig gesperrt und bis zur Bose-Einstein-Kondensation gekühlt. Mit Hilfe von Radiowellen bohren die Forscher ein kleines Loch in den Magnetkäfig. Durch dieses entkommen die Atome und bilden im Vakuum unter dem Einfluß der Schwerkraft einen feinen Strahl.

Vor zwei Jahren wurde am Massachusetts Institute of Technology in den USA ein erster gepulster Atomlaser demonstriert. Der Münchner Gruppe ist es jetzt erstmals gelungen einen gebündelten Atomstrahl zu erzeugen und diesen kontinuierlich über eine zehntel Sekunde aufrechtzuerhalten. Das Wellenpaket jedes einzelnen Atoms kann sich dabei über die ganze Länge des Atomstrahles erstrecken, so daß Quantenobjekte von sehr makroskopischen Dimensionen entstehen. Die hohe Brillanz und Kohärenz eines solchen Materiestrahles eröffnet ungeahnte Perspektiven für die noch jungen Forschungsgebiete der Atomoptik und Atominterferometrie. Die Forschungsergebnisse werden auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (15. – 19. März 99) in Heidelberg vorgestellt und sind in der Zeitschrift Physical Review Letters im Druck.

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