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Temperaturbestimmung: Neues Thermometer für ultrakalte Atome

Optisches Gitter
Physiker kühlen Atome bereits heute auf wenige milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab. Ein Team des MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms in Massachusetts hat nun ein Thermometer entwickelt, das selbst 100-fach tiefere Temperaturen messen kann.

Das Team um David Weld brachte ultrakalte Rubidiumatome in zwei quantenmechanische Zustände, die jeweils ein unterschiedliches magnetisches Moment besitzen. Dann sperrten sie diese in ein optisches Gitter und legten ein sich räumlich änderndes Magnetfeld an, woraufhin sich die Spins der beiden Atomzustände ausrichteten. Aus der mittleren Magnetisierung des Gases konnten die Wissenschaftler dann die Temperatur des Systems ableiten.

Funktionsweise des Thermometers | Hier ist gezeigt, wie ultrakalte Rubidiumatome in zwei unterschiedlichen quantenmechanischen Zuständen – die jeweils ein verschiedenes magnetisches Moment besitzen – ihre Spins (schwarze Pfeile) in einem äußeren Magnetfeld (grüne Pfeile) ausrichten. Die Breite des Bereichs zwischen zwei unterschiedlichen Magnetisierungen (domain wall width) ist in diesem System proportional zur Temperatur des Gases.
Weld und seine Kollegen demonstrierten, dass die neue Methode für verschiedene Temperaturen gut mit bereits bestehenden Verfahren übereinstimmt. Weiterhin ermittelten die Wissenschaftler die Temperatur eines auf ein milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlten Gases. Die tiefste mit dieser Technik messbare Temperatur wird nur durch die experimentellen Möglichkeiten begrenzt, die Bereiche gleicher Magnetisierung abzubilden, so die Autoren. Somit sollten auch bis zu 100-fach tiefere Temperaturen theoretisch noch erfassbar sein.

Bestimmte physikalische Phänomene zeigen sich erst bei extrem tiefen Temperaturen, wie etwa die Bose-Einstein-Kondensation. Um in diesen Quantensystemen aber beispielsweise das komplexe quantenmechanische Verhalten von Elektronen in Festkörperkristallen zu simulieren, müssten die Atome mindestens 100-mal kälter sein als heute erreichbar. Bisher angewendete Thermometer würden in diesem Temperaturbereich versagen. (mp)

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