Quantenphysikern gelingt erneut sensationeller Durchbruch

Woran Wissenschaftler in aller Welt - darunter auch Nobelpreisträger - bisher gescheitert sind, ist den Experimentalphysikern Univ.-Prof. Dr. Rudolf Grimm, Dipl.-Phys. Tino Weber, Dipl.-Phys. Jens Herbig, Michael Mark und Dr. Hanns-Christoph Nägerl Anfang Oktober in Innsbruck erstmals gelungen: Sie versetzten eine Wolke aus rund 20.000 Cäsiumatomen in den Bose-Einstein-Zustand. Das dabei entstehende Kondensat weist quantenmechanische Eigenschaften auf, wobei sich alle Atome identisch verhalten, und eignet sich aufgrund seiner makroskopischen Dimension besonders gut für die experimentelle Untersuchung von Quantenphänomenen. Wurden bisher vor allem Rubidium- und Natriumatome für solche Experimente herangezogen, gelang den Innsbrucker Forschern dieser Versuch erstmals mit dem schwersten Alkali-Element: dem Cäsium. Forscher haben bislang magnetische Atomfallen für solche Versuche verwendet, der Laserfallen-Spezialist Rudolf Grimm versuchte es mit zwei sehr starken CO2-Lasern. Im Kreuzungspunkt der beiden Laser im Zentrum einer Vakuumkammer werden die Cäsiumatome gefangen und mit weiteren Lasern abgekühlt. "Die Mitte der Kammer ist einer der kältesten Orte auf unserem Planeten, nur wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt!" betont Grimm. Dort bildet sich bei ausreichender Abkühlung das neuartige Bose-Einstein-Kondensat.

Völlig neue Möglichkeiten

Das gelungene Experiment hat weitreichende Folgen für die Physik, denn Cäsium ist ein ganz besonderes Element. Da die Zeitmessung der Atomuhren auf dem Cäsiumatom beruht, verdanken wir ihm unsere Sekunden und Minuten. Das Bose-Einstein-Kondensat aus Cäsiumatomen könnte die Präzision von Atomuhren noch weiter verbessern und beispielsweise eine mögliche zeitliche Veränderlichkeit von Naturkonstanten enthüllen. Auch weltweite Navigationssysteme wie GPS oder die internationale Datenkommunikation könnten von diesen Entwicklungen profitieren. Solche Kondensate könnten aber auch mögliche Bauteile für einen Quantencomputer sein. Außerdem lassen sich an Cäsiumatomen in Bose-Einstein-Kondensaten fundamentale Symmetrien der Natur ohne den vergleichsweise großen Aufwand von Teilchenbeschleunigern untersuchen. "Hier ist ein fünf Jahre alter Traum in Erfüllung gegangen," freut sich Rudolf Grimm. "In dieses Experiment ist sehr viel Energie geflossen, umso glücklicher sind wir, dass wir ein kleines Stück Geschichte in der Quantenphysik mitschreiben durften."

Spitzenforschung durch Teamwork

Die Innsbrucker Arbeitsgruppe stand in direktem Wettbewerb mit mehreren Arbeitsgruppen in aller Welt. Kurz vor dem großen Durchbruch gab es ein Kopf-an-Kopf-Rennen mit Forschern in Oxford, die auf das selbe Ziel hin arbeiteten. "Solche Erfolge sind nur durch das besondere Umfeld möglich, das wir hier in Innsbruck glücklicherweise vorfinden. Die Kooperation der einzelnen Gruppen am Institut für Experimentalphysik, aber auch mit dem Institut für Theoretische Physik und den anderen Arbeitsgruppen in Österreich, sowie unsere internationale Einbettung lassen jenes Forschungsklima entstehen, das Spitzenforschung erst möglich macht," ist Grimm überzeugt. Die Forschungsarbeit der Innsbrucker Quantenphysiker wird im Rahmen eines Spezialforschungsbereichs durch den Österreichischen Wissenschaftsfonds gefördert. Im kommenden Jahr wird in Innsbruck der Grundstein für ein neues Forschungsinstitut für Quantenphysik der Akademie der Wissenschaften gelegt werden.

Nobelpreiswürdige Forschung

Die ersten Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten wurden in den 90-er Jahren durchgeführt. 1995 gelang der erste große Durchbruch: Die damals erfolgreichen Experimente von Carl Wieman, Eric Cornell und Wolfgang Ketterle wurden im letzten Jahr mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet. Das Besondere an Bose-Einstein-Kondensaten ist, dass erstmals makroskopische Quantenzustände von Materie für die Forschung zur Verfügung stehen: die Quantenphysik in ihrer reinsten Form sozusagen zum Anfassen, Anschauen und Verstehen. Cäsium erschließt durch seine besonderen Eigenschaften weiteres Neuland auf diesem faszinierenden Gebiet der Quantenphysik.