Die einen bewegen sich schneller, die anderen langsamer und zu allem Überfluss stoßen sie auch noch zusammen. Ist Atomen zu warm, sind sie für quantenphysikalische Anwendungen, die höchste Präzision benötigen, unbrauchbar. Kühlt man die Atome jedoch auf knapp über dem absoluten Nullpunkt, also auf knapp über minus 273,15 Grad Celsius, ab, ändert sich die Situation: Es entsteht ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat, in dem die Atome mit identischen Eigenschaften im Gleichklang schwingen und sich hochgenau kontrollieren lassen (siehe auch Gleiches mit Gleichem simulieren ).

So universell der Gleichklang, so vielfältig die Anwendungsmöglichkeiten. Sie reichen von der Simulation von Quantensystemen, die die Rechenleistung jedes herkömmlichen Computers sprengen würde, bis zur Hochpräzisionsmessung - beispielsweise der Zeit mit Hilfe von Atomuhren.

Wettlauf um den neuen Materiezustand

Dass es das Bose-Einstein-Kondensat geben muss, haben Satyendranath Bose und Albert Einstein theoretisch bereits 1924 vorhergesagt. Erstmals nachgewiesen wurde es jedoch erst 1995. Danach arbeiteten Forschungsgruppen weltweit daran, diesen neuen Materiezustand aus den verschiedensten Atomen herzustellen. An vorderster Front dabei waren und sind die Quantenphysiker(innen) des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der ÖAW und des Instituts für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. Im Jahr 2002 konnte eine Gruppe um den Wittgenstein-Preisträger und IQOQI-Direktor Rudolf Grimm das weltweit erste Bose-Einstein-Kondenstat aus Cäsiumatomen herstellen. 2009 gewann ein Team um Florian Schreck das internationale Wettrennen um die Herstellung des ersten Bose-Einstein-Kondensats aus dem Erdalkalie-Element Strontium. "Entscheidend für unsere Erfolge waren auch die Möglichkeiten, die das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) bietet", betont Rudolf Grimm. "Wir haben den Freiraum, etwas ganz Neues auszuprobieren und in diese internationalen Wettrennen einzusteigen."

Das Atom der Wahl

Welche Atome kondensiert werden, hängt nicht zuletzt von der beabsichtigten Anwendung ab. So eignet sich Strontium besonders für Präzisionsmessungen und ist in einigen der besten Atomuhren der Welt im Einsatz. Großes Anwendungspotenzial liegt auch in der Quantensimulation mit Strontium, die Schreck - der 2010 mit einen START-Preis, der höchsten Auszeichnung für Nachwuchswissenschaftler(innen) in Österreich, ausgezeichnet wurde - aktuell erforscht.

Eine besonders interessante Klasse von Quantensimulationen untersucht wechselwirkende Fermionen und versucht Phänomene zu verstehen, welche auch die Basis von Hochtemperatursupraleitern bilden. Hochtemperatursupraleiter werden zwar bereits heute vielfältig eingesetzt, aber genau verstanden sind sie noch nicht. Deswegen ist ein für die Anwendung wesentliches Problem bisher nicht gelöst: wie man Supraleiter bei Raumtemperatur herstellen kann. Mit Hilfe ultrakalter fermionischer Systeme hoffen die Forscher(innen) den Geheimnissen der Supraleiter auf die Spur zu kommen (siehe auch Gleiches mit Gleichem simulieren ).

Jedenfalls gilt: Je vielfältiger die Struktur der Atome sind, desto mehr Möglichkeiten bieten sie. "Strontium-Atome verfügen über eine reichhaltige innere Struktur. Wir können daher mehr Einfluss auf die Atome nehmen als bei einfachen Elementen und damit sehr interessante Quantenobjekte erzeugen und untersuchen", erklärt Schreck.

Mysteriöse Quantenzustände

Es dauerte knapp über 70 Jahre, bis das Bose-Einstein-Kondensat nachgewiesen werden konnte. Etwa halb so lang musste ein besonders geheimnisvoller Quantenzustand auf die Bestätigung seiner Existenz warten und auch hier spielten ultralkalte Quantengase eine entscheidende Rolle. Anfang der 1970er-Jahre prophezeite der russische Physiker Vitali Efimov, dass sich drei Teilchen unter Ausnutzung ihrer quantenmechanischen Eigenschaften zu einem Objekt vereinen lassen, obwohl sie paarweise zu keiner Verbindung imstande sind. Eine kühne Behauptung, die zu Beginn von der Fachkollegenschaft angezweifelt wurde. Über 35 Jahre und viele Experimente weltweit später gelang der Gruppe um Grimm und Hanns-Christoph Nägerl mit Hilfe ultrakalter Cäsiumatome der erste experimentelle Nachweis. Damit konnten die Forscher ein Stück Physik-Geschichte schreiben - und hohen Besuch nach Innsbruck locken: 2009 besuchte Vitali Efimov höchstpersönlich jene Gruppe vor Ort, die seine Theorie bestätigen konnte.

• Erstes Bose-Einstein-Kondensat mit Strontiumatomen
• START-Preis für Barbara Kraus und Florian Schreck
• Geheimnisvolle Quantenzustände erstmals beobachtet
• Erstmals Efimov-Zustände mit Atomen und Molekülen beobachtet
• Physik-Geschichte miterlebt
• Zukunftstechnologie Quantencomputer
• www.ultracold.at

Kontakt:
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI)
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Otto-Hittmair-Platz 1, 6020 Innsbruck
www.iqoqi.at

Prof. Dr. Rudolf Grimm
T +43 512 507-4760
rudolf.grimm[at]oeaw.ac.at

Dr. Florian Schreck
T +43 512 507-4761
florian.schreck[at]oeaw.ac.at


Februar 2011