Expedition zum Nullpunkt

Verblüffende Entdeckungen bei minus 273,15 Grad Celsius. Tiefe Temperaturen sind zur Zeit das spektakulärste Thema in der Physik. Die Forscher haben inzwischen den absoluten Temperaturnullpunkt erreicht und sogar den ersten Atomlaser gebaut. Eigentlich war Albert Einstein ein Gegner der Quantenphysik. „ Gott würfelt nicht”, lautete sein berühmter Kommentar, mit dem er die teilweise verrückt anmutenden Behauptungen von Kollegen wie Niels Bohr oder Werner Heisenberg abkanzelte. Es muß wohl Altersstarrsinn gewesen sein, denn am Anfang seiner Karriere im Jahr 1905 hatte Einstein mit seiner Arbeit über die Lichtquanten der Quantentheorie den Weg geebnet. Und 1924 in der Blütezeit der Quantenphysik, schrieb Einstein zwei weitere Arbeiten, von denen er damals wohl nicht ahnte, welche Bedeutung sie einmal für die Quantenphysik haben würden. Der indische Physiker Satyendra Nath Bose hatte Einstein kurz zuvor eine Veröffentlichung geschickt, in der er Photonen, also Lichtteilchen, als ein Gas identischer Teilchen betrachtete. Einstein verallgemeinerte Boses Arbeit auf Atome und Moleküle und folgerte, daß diese bei sehr niedrigen Temperaturen in einen merkwürdigen Quantenzustand kondensieren müßten. In diesem untersten aller möglichen Energiezustände überlappen sich die Materiewellen der Atome so, daß sie wie ein riesiges verschmiertes Superatom erscheinen. Einstein folgerte, daß die Bose-Einstein-Kondensation , wie sie schon bald genannt wurde, auch bei der Supraleitung eine Rolle spielt, was sich als richtig herausstellte. Die Suprafluidität von Helium, in den dreißiger Jahren entdeckt, wurde mit der Bose-Einstein-Kondensation in Verbindung gebracht. Mehr als 70 Jahre fristete die Bose-Einstein-Kondensation ein theoretisch faszinierendes, aber praktisch leider unbewiesenes Dasein in der physikalischen Literatur – bis 1995 Eric Cornell und Carl Wieman am Joint Institute for Laboratory Astrophysics in Boulder, Colorado, aus 2000 Rubidium-Atomen das erste Bose-Einstein-Kondensat brauten. Damit traten sie eine für die als besonnen geltende Gemeinde der Physiker geradezu gewaltige Lawine los. Alle Welt wollte das Kunststück nachmachen. 1995 wählte das Wissenschaftsmagazin Science, in dem auch Cornell und Wiemans Originalarbeit publiziert wurde, das Bose-Einstein-Kondensat zum Molekül des Jahres, obwohl es im klassischen Sinne gar kein Molekül ist. 1997 und 1998 führte die Science-Veröffentlichung monatelang die Hitliste der meistzitierten Arbeiten an. Die Euphorie ist bis heute ungebrochen. Kaum ein Monat, in dem nicht ein sensationelles Experiment mit Bose-Einstein-Kondensaten publiziert wird. Seit Cornell und Wiemans Erfolg wurden weit über 1000 Arbeiten zu Bose-Einstein-Kondensaten veröffentlicht. Mehr als 20 Arbeitsgruppen in aller Welt sind heute in der Lage, die seltsame Materie zu erzeugen. „Was im Moment auf diesem Gebiet passiert, ist der reine Wahnsinn!”, freut sich Immanuel Bloch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in München, das mittlerweile international an der Spitze mitmischt. Die Europäer sind spät dran, denn bis zu Cornell und Wiemans Experiment hatte in der alten Welt niemand an den Erfolg geglaubt. Möglich wurde der Durchbruch dank bahnbrechender Fortschritte in der Kühltechnik. Denn um ein Bose-Einstein-Kondensat herzustellen, müssen die Atome auf weniger als ein Mikrokelvin, ein millionstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt abgekühlt werden. Wenn die Zigmillionen gasförmigen Atome in die Apparatur gefüllt werden, sind sie über 300 Grad Celsius heiß. Um den riesigen Sprung bis hinunter an den absoluten Nullpunkt zu schaffen, sind mehrere Kühltechniken notwendig. Auf dem letzten Stück der Temperaturskala kommen zwei besonders trickreiche Verfahren zur Anwendung: die Laserkühlung und die Verdampfungskühlung : Bei der Laserkühlung werden die in einer Vakuumkammer herumschwirrenden Atome in eine optische Zange genommen. Bis zu zwölf Laserstrahlen kreuzen sich an der Stelle, wo später das Kondensat entstehen soll. Die Lichtstrahlen treffen auf die Atome und bremsen sie ab. Durch eine geschickte Wahl der Lichtwellenlänge wird sichergestellt, daß die Atome immer nur frontal getroffen werden. Kommt das Licht von hinten, spüren die Atome nichts. Ergebnis: Die Temperatur in der optischen Thermosflasche sinkt auf 40 Mikrokelvin – kalt, aber nicht kalt genug. Die Verdampfungskühlung besorgt den Rest: In der Vakuumkammer sitzen kompliziert gewickelte Spulen, deren Magnetfelder wie ein Spiegel auf die Atome wirken. Diese sammeln sich in einer zigarrenförmigen Wolke in der Mitte, die ungefähr 0,3 Millimeter lang und 0,02 Millimeter dick ist. Eine Antenne sendet Radiostrahlung aus und verbiegt die Form des magnetischen Topfes so, daß energiereiche, heiße Atome aus der Falle fliegen. Dabei nehmen sie Energie aus der Wolke mit – wie die Dampfwolke, die den Kaffee abkühlt. Gegen Ende des Kühlprozesses, der nur wenige Minuten dauert, überlappen sich die Materiewellen der Atome immer mehr, bis schließlich ein riesiges Superatom entsteht, in dem die Atome keine eigene Identität mehr haben. Auch wenn im Physikunterricht in der Schule immer erzählt wird, daß der absolute Temperaturnullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius (entspricht 0 Kelvin) nicht erreichbar ist: Im Bose-Einstein-Kondensat ist die Temperatur wirklich null. Daß die Physiker dennoch einen winzigen Temperaturwert angeben – er beträgt in den aktuellen Experimenten deutlich unter 100 Nanokelvin (milliardstel Kelvin) – liegt daran, daß sich in der Apparatur immer noch Atome befinden, die sich nicht dem Kondensat anschließen und die eine thermische Eigenbewegung haben, also „ warm” sind. Ein zweiter Irrtum aus dem Schulunterricht besagt, daß die Atome am absoluten Nullpunkt immer stillstehen, weil null Temperatur null Bewegung bedeutet. Das gilt aber nur theoretisch im unendlich großen Raum – in der kleinen Apparatur, in der das Kondensat erzeugt wird, greift die Heisenbergsche Unschärferelation: Sie besagt, daß man von Atomen nicht gleichzeitig Ort und Geschwindigkeit beliebig genau kennen kann, letztere kann also auch nicht null sein. Ergo: Auch am absoluten Nullpunkt besitzen die Atome eine geringfügige Eigenbewegung. Erst kürzlich gelang es dem Team von Wolfgang Ketterle am Massachusetts Institute of Technology, diese Bewegungsenergie zu messen. Was macht man mit dem kalten „Blubb”? Die Physiker tun das, was sie immer tun, wenn sie eine neue Form der Materie finden: Sie versuchen die Eigenschaften nach allen Regeln der Kunst zu ergründen – nicht gerade einfach bei etwas, das man nicht berühren darf, weil es sonst zerstört wird. Doch die Forscher haben sich einige Tricks einfallen lassen und Verblüffendes über Bose-Einstein-Kondensate herausgefunden. Bis Cornell und Wieman ihre Experimente unternahmen, war völlig unklar, ob man Bose-Einstein-Kondensate sehen kann, ob sie eine Farbe haben, ob sie Licht reflektieren oder völlig unbeeinflußt passieren lassen. Die richtige Antwort lautet: Es kommt darauf an, welches Licht in das Quantengelee geschickt wird. Licht einer bestimmten Wellenlänge wird im Kondensat vollständig absorbiert, es erscheint kohlrabenschwarz. Licht anderer Wellenlänge passiert das Kondensat fast ungehindert und wird kaum reflektiert, für Laserlicht ist es wie eine Glasmurmel. Wolfgang Ketterle vom MIT hat gezeigt, daß Bose-Einstein-Kondensate superfluid sind. Als er mit einem Laserstrahl die Atomwolke „umrührte”, fand er keinerlei inneren Widerstand. Die Wolke könnte sich also endlos weiterdrehen – im Gegensatz zum Kaffee, der nach dem Rühren wieder zur Ruhe kommt. Wolfgang Ketterle war es auch, der als erster bewiesen hat, daß die Materiewellen der Atome kein mathematisches Hirngespinst der Quantenphysiker sind, sondern real existieren. Sein Team erzeugte in einer Magnetfalle zwei Kondensate, die beim Öffnen des Magnetkäfigs nach unten fielen und sich überlappten. Mit Laserblitzen und einer digitalen Kamera machten die Forscher ein scharfes Interferenzmuster der beiden sich überlagernden Materiewellen sichtbar. Beeindrukkend ist die Wellenlänge von 15 Mikrometern (tausendstel Millimeter), 20mal mehr als bei sichtbarem Licht. Bei Zimmertemperatur beträgt die Wellenlänge nur 50 milliardstel Millimeter, weniger als die Größe eines Atoms. Viele Wellen, die in Phase schwingen – der Fachmann denkt da sofort an Laser. Und tatsächlich ging Wolfgang Ketterles Experiment von 1997 als erster Atomlaser in die Geschichte ein (bild der wissenschaft 4/1997, „Atome im Gleichschritt”). Damals konnte das Team nur kurze Impulse erzeugen, dazwischen mußte die Falle jedesmal mit Kondensat nachgeladen werden. Im letzten Jahr hat Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching einen Dauerstrich-Atomlaser gebaut, aus dem das Kondensat kontinuierlich austritt – allerdings nur für eine Zehntelsekunde, dann ist die Falle leer. Die jüngste Sensation schaffte Ende letzten Jahres wieder Wolfgang Ketterles Team: Erstmals gelang es, einen Atomlaser zu bauen, der sich selbst verstärkt. Bei herkömmlichen Lichtlasern, die zum Beispiel in CD-Playern eingebaut sind, sorgt ein lawinenartiger Prozeß dafür, daß immer neue Photonen entstehen, die alle dieselbe Wellenlänge haben und deren Wellen alle perfekt im Gleichschritt sind: Sie schwingen in Phase. Genährt wird dieser Prozeß aus der elektrischen Energie, die dem Laser zugeführt wird. Pessimisten wandten ein, daß das bei einem Atomlaser niemals zu schaffen sei, weil Atome ja nicht aus dem Nichts entstehen können. Das stimmt, doch Ketterles Team kam ein glücklicher Umstand zu Hilfe: Als die Wissenschaftler eines Nachts im Oktober 1998 ein Bose-Einstein-Kondensat eher zufällig mit einem Laserstrahl beschossen, traten zu ihrer Verblüffung auf der anderen Seite ein scharf gebündelter Atomstrahl und ein Lichtstrahl aus. Einige Monate später kam das Team auf die Idee, dieses Phänomen, das man Superradianz getauft hatte, für den Atomlaser zu nutzen, diesmal mit drei Lichtpulsen. Mit einem Laserpuls beschleunigten die Forscher ein paar Atome im Kondensat zu einem dünnen Atomstrahl. Dieser flog durch den Nebel der übrigen Atome, die durch einen zweiten Laser angeregt wurden. Dabei riß der Eingangsstrahl Atome mit, die sich in das Schwingungsmuster einklinkten und den Strahl immer mehr verstärkten. Ein dritter Laserpuls erzeugte eine Referenzwelle, mit der die Forscher Eingangs- und Ausgangsstrahl vergleichen konnten. Resultat: Am Ende war der Atomstrahl auf das 30fache angeschwollen. „Ich bin erstaunt, wie einfach wir den Atom-Verstärker realisiert haben”, freut sich Wolfgang Ketterle. Auch der erste wirkliche Atomlaser muß noch weiterentwickelt werden. Denn sobald das Atom-Reservoir aufgebraucht ist, endet der Atomstrahl. Ketterle ist optimistisch, auch diese Hürde zu nehmen. „Die rasanten Entwicklungen in den vergangenen Jahren haben alle überrascht, und wir erwarten bald weitere große Fortschritte.” Gelingt es, den Atomlaser zu einem kompakten Werkzeug weiterzuentwickeln, wären die Anwendungen ähnlich revolutionär wie beim Pendant aus Licht: Mikroskope können Details einer Probe um so besser erkennen, je kleiner die Wellenlänge des Lichts ist. Die Wellenlänge der Materiewellen ist sehr kurz, außerdem sind die Atome im Bose-Einstein-Kondensat so langsam, daß sie die Probe nicht zerstören – im Gegensatz zum Elektronenmikroskop, das mit sehr hohen Energien arbeitet. Sogenannte Atominterferometer messen den Wert der Erdbeschleunigung an verschiedenen Orten der Welt. Daraus können Geophysiker schließen, welche Gesteinsarten sich unter der Erdoberfläche befinden. Mit Atomlasern wären sie ein Vielfaches genauer. Heutige Atomuhren haben zwar nur eine Abweichung von einer Sekunde in einigen Millionen Jahren, doch in der Satellitennavigation ist diese Genauigkeit noch nicht ausreichend, weil dort Einsteins Relativitätstheorie zum Tragen kommt, nach der die Zeit bei hohen Geschwindigkeiten oder in der Nähe großer Massen langsamer läuft. Mit Atomlasern könnte die Gangabweichung auf eine Sekunde in 100 Millionen Jahren gedrückt werden. Die interessanteste Anwendung wäre die Herstellung winziger Strukturen auf Mikrochips. Heute werden Transistoren und Leiterbahnen auf Chips über optische Verfahren auf das Silizium übertragen und anschließend herausgeätzt. Diese Methode könnte man umdrehen: Statt zu ätzen schießt man Atom für Atom auf den Chip und schreibt damit komplexe Strukturen. Mit dem Atomlaser wäre das machbar, weil sich die Atomkondensate dank ihres Wellencharakters wie Licht punktgenau fokussieren und dirigieren lassen. „Die ersten Anwendungen des Atomlasers kommen vielleicht in fünf bis zehn Jahren”, schätzt Immanuel Bloch. Die Chipherstellung ist aber noch Zukunftsmusik: „Das ist sicher noch 10 bis 20 Jahre weg.” Auch wenn Bloch zahlreiche Anwendungen sieht, den Atomlaser für die Westentasche werde es nicht geben: „ Der Atomlaser funktioniert nur im Vakuum. Deshalb wird der Atomlaser nie die Bedeutung des Lichtlasers erlangen.” Materiewellen Atome und ihre Bestandteile, zum Beispiel Protonen und Neutronen, sind im klassischen Sinn Teilchen, vereinfacht gesprochen also feste „Kügelchen”. Nach der Quantenmechanik kann ein Teilchen aber auch als Wellenpaket aufgefaßt werden, als eine Art schwingende Saite. Die Wellenlänge ist um so größer, je langsamer sich die Atome bewegen, beziehungsweise je kälter sie sind. Die Wellennatur offenbart sich nur im Mikrokosmos, dort können zum Beispiel die Materiewellen mehrerer Atome sich ebenso überlagern (interferieren), wie die Wasserwellen, wenn man mehrere Steine in den See wirft. Bose-Einstein-Kondensation Bei sehr tiefen Temperaturen überlagern sich die Materiewellen vieler Atome so perfekt, daß sie zu einem einzigen Wellenpaket verschmelzen. Die einzelnen Atome sind darin nicht mehr zu unterscheiden. Bose-Einstein-Kondensate lassen sich nur mit sogenannten Bosonen erzeugen, deren Kernbausteine zusammen einen geradzahligen Spin (Eigenrotation der Kernbausteine) ergeben. Besonders geeignet sind die sogenannten Alkalimetalle wie Lithium, Natrium und Rubidium. Supraleitung 1911 endeckte der holländische Physiker Heike Kamerlingh-Onnes, daß der elektrische Widerstand in Metallen verschwindet, wenn man sie bis auf wenige Kelvin abkühlt. In den achtziger Jahren wurden auch Keramiken entdeckt, die bei höheren Temperaturen supraleitend werden. Supraleitung entsteht, wenn Elektronenpaare zu einer Art Gas kondensieren – analog zur Kondensation von Atomen bei Bose-Einstein-Kondensaten. Superfluidität Bei Temperaturen unter 2,2 Kelvin macht flüssiges Helium verrückte Kapriolen: Es verliert völlig seine innere Reibung. Rührte man es mit dem Löffel um, würde sich der Wirbel endlos weiterdrehen. Die seltsame Flüssigkeit kriecht sogar gegen die Schwerkraft Wände hoch und dringt in winzige Poren ein. Temperaturnullpunkt Der absolute Nullpunkt liegt bei minus 273,15 Grad Celsius. Null Kelvin kann auch mit den besten Kühlmethoden nie erreicht werden. Allerdings nimmt Materie schon bei geringfügig höheren Temperaturen den Zustand ein, der auch am Nullpunkt herrscht. Die Energie in diesem Zustand ist nicht Null – dies wäre ein Verstoß gegen Heisenbergs Unschärferelation. Auch bei null Kelvin zittern die Atome noch ein wenig. Bernd Müller