Forscher entwickeln Atomchip

Ein Bose-Einstein-Kondensat kann nur mit Hilfe sehr niedriger Temperaturen erzeugt werden, erläuterte Prof. Claus Zimmermann vom Physikalischen Institut der Universität. „Die Materie befindet sich dabei, nur Millionstel Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt, in einem ganz ungewöhnlichen Zustand, der mit den bekannten Begriffen fest, flüssig oder gasförmig nicht beschrieben werden kann.“ Bei ihren Forschungen verwendeten die Tübinger Rubidium, ein silberglänzendes, sehr weiches Alkalimetall, das bei Raumtemperatur zähflüssig ist, ähnlich wie Quecksilber. Die tiefen Temperaturen erreichten die Wissenschaftler, indem sie das Rubidium zunächst mit Laserlicht abkühlten und es in einem zweiten Schritt durch Verdampfungskühlung noch weiter erkalten ließen.

Dicht am absoluten Nullpunkt sammelten sich die Rubidium-Atome in kleinen Wolken aus bis zu 50 Millionen Einzelatomen, winzigen Tröpfchen von der Größe eines Haardurchmessers. In diesem Zustand konnten die Wissenschaftler mit Hilfe von Magnetfeldern das einzelne Tröpfchen einige Sekunden lang in der Schwebe halten. „Das Tröpfchen stellte dabei eine ganz neue Materie-Form dar“, so Zimmermann. „Da sich die Atome in ihrem Inneren solcher Tröpfchen alle gleich verhalten, gewinnt das Rubidium Eigenschaften, die es im festen, flüssigen oder gasförmigen Zustand nicht besitzt.“

Der technische Durchbruch gelang den Forschern, als sie das Bose-Einstein-Kondensat über der Oberfläche eines Keramikchips erzeugten und die Materie in Leiterbahnen auf dem Chip – lange, feine Kanäle – einfüllen konnten. „Gelingt es, die Tröpfchen dort zu strukturieren, die Atome zu trennen und sie auch wieder zusammenzufügen, könnten diese Eigenschaften etwa für das Speichern und Übertragen von Daten genutzt werden. Im Chip bilden dann die Atome die Informationseinheiten, nicht wie bei herkömmlichen Computern Bits mit der „Schalterstellung“ Null oder Eins“, sagte Zimmermann.

Im Bose-Einstein-Kondensat verhalten sich die Teichen wie Wellen. Beim Zusammentreffen zweier Tröpfchen entstehen Interferenzphänomene, wie bei Licht: „Man erhält ein Streifenmuster – an einigen Stellen verdichtet sich die Materie, an anderen entsteht ein Vakuum.“ Diese Phänomene wollen die Wissenschaftler jetzt genauer untersuchen. Das Interesse gilt dabei vor allem der Frage, wie das Kondensat reagiert, wenn es stark in die Länge gezogen und aufgeteilt wird. „Die Kanälchen auf dem Chip sind zwar höchstens zwei Zentimeter lang“, so Zimmermann, „doch im Größenvergleich wird die Materie so lang gezogen wie eine vier Meter breite Autobahn, die tausend Kilometer lang ist.“

Den besonderen Zustand von Materie im tiefgekühlten Zustand hatte bereits 1923 der Physiker Albert Einstein auf der Basis von Arbeiten des indischen Physikers Satyendra Nath Bose in der Theorie vorhergesagt. Die extrem tiefen Temperaturen in der Realität zu erzeugen, gelang Wissenschaftlern erstmals 1995, als die Kühlung mittels Laserlicht entwickelt worden war.