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Experten für extreme Kälte

Nobelpreis für Physik: Mit heißen Laserstrahlen kühlen Physiker Atome fast bis zum absoluten Nullpunkt. Für diese Erfindung gibt es den diesjährigen Physik-Nobelpreis.

Mit tausend Kilometern pro Sekunde rasen die Atome eines Gases bei Zimmertemperatur umher und kollidieren ständig miteinander. Physiker, die die Eigenschaften der Atome mit hoher Präzision messen wollen, müssen sie zunächst auf eine millionenfach geringere Geschwindigkeit abbremsen – und damit kühlen.

Möglich ist dies mit Laserlicht: Die Lichtquanten eines intensiven Laserstrahls übertragen bei Abertausenden von Stößen ihren Impuls auf die Gasatome und bremsen sie so allmählich ab. Wird ein Gas aus verschiedenen Raumrichtungen mit Laserlicht beschossen, entsteht eine Wolke aus sehr langsamen, ultrakalten Atomen.

Für die Entwicklung dieser Methode wurde in diesem Jahr der Physik-Nobelpreis an die beiden Amerikaner Steven Chu von der Stanford University und William D. Phillips vom National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg vergeben, beide Jahrgang 1948, sowie an den 1933 in Algerien geborenen Franzosen Claude Cohen-Tannoudji von der École Normale de Supérieure in Paris.

Steven Chu war 1985 der erste, der die Technik der Laserkühlung anwendete. Er benutzte Laserstrahlen, um ein Gas aus Natrium-Atomen auf 240 millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt zu kühlen. Die Schwerkraft ließ die kalten Atome jedoch rasch aus dem Laserlicht herausfallen. Deshalb waren zusätzliche Magnetfelder erforderlich.

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Solche Magnetfallen hatte William D. Phillips bereits Anfang der achtziger Jahre entwikkelt. In einem räumlich veränderlichen Magnetfeld werden die Atome dabei entgegen der Schwerkraft dorthin gezogen, wo das Feld am schwächsten ist.

Williams kombinierte die Magnetfalle mit der optischen Kühlung und ersann zudem Techniken, um die Temperatur ultrakalter Gasatome präzise zu messen. Claude Cohen-Tannoudji entwickelte wenig später Verfahren, mit denen sich die Laser-Kühltechnik deutlich verbessern ließ. Ihm gelang es, Helium-Atome auf eine Temperatur von 0,18 millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt zu kühlen.

Prof. Gerhard Rempe von der Universität Konstanz freut sich über die Entscheidung des Nobelpreiskomitees. Er nutzt selbst mit Laserlicht tiefgekühlte Atome, um sie beispielsweise in einem Atom-Interferometer wie Lichtwellen zu überlagern und so sehr präzise die Erdrotation zu messen.

„Die besten Atomuhren beruhen ebenfalls auf lasergekühlten Atomen“, erklärt Rempe. Bereits als kommerzielles Produkt erhältlich sind „optische Pinzetten“ – Faßzangen aus Laserlicht, mit denen Biologen zum Beispiel Zell-Organellen berührungsfrei manipulieren und untersuchen können.

Auch sie nutzen das Prinzip der Laserkühlung, das bereits Mitte der siebziger Jahre Prof. Theodor Hänsch, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, und der amerikanische Physiker Prof. Arthur Schawlow vorgeschlagen hatten. „Die Technologie war aber noch nicht reif für eine Realisierung der Laserkühlung“, sagt Hänsch, der sich deshalb „anderen interessanten Dingen“ zuwandte. „Vielleicht war dies ein Fehler“, meint er heute.

Ralf Butscher

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