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Atome in der Falle

08.12.1997 - (idw) Westfaelische Wilhelms-Universität Münster

upm-Pressemitteilung der Universitaet Muenster 523/97 - 08. Dezember 1997

Atome in der Falle

Muenstersche Kernphysiker forschen auf den Spuren der Nobelpreistraeger

Atome abzukuehlen und einzufangen fasziniert Physiker seit langem. Fuer die Entwicklung experimenteller Methoden, die dies mit Laserlicht ermoeglichen, erhielten ein Franzose und zwei Amerikaner den diesjaehrigen Nobelpreis fuer Physik. Ebenfalls auf dem Gebiet der Atomkuehlung forschen auch die Wissenschaftler um Prof. Dr. Horst-Juergen Andrae im Institut fuer Kernphysik der Universitaet Muenster. In einem aufwendigen Laserexperiment kuehlen sie Natrium-Atome und locken sie in die Falle, um sie anschliessend genauer zu untersuchen.

Das Bestreben der Physiker, Atome zu kuehlen, hat folgenden Hintergrund: Gasatome oder -molekuele sind normalerweise nicht in Ruhe, sondern staendig in Bewegung. Bei Zimmertemperatur fliegen sie mit mehreren tausend Kilometern pro Stunde kreuz und quer durch den Raum. Je tiefer die Temperatur, desto langsamer werden die Teilchen. Atome zu kuehlen bedeutet also, sie abzubremsen. Das gelingt mit Laserstrahlung, die den Atomen entgegengerichtet ist. Kommt das Laserlicht aus verschiedenen Richtungen gleichzeitig und wird zusaetzlich ein Magnetfeld angelegt, sind die Atome gefangen. Die Experten sprechen von einer magneto-optischen Atomfalle. Sowohl fuer den Kuehlmechanismus als auch bei der Entwicklung der Atomfalle haben die Nobelpreistraeger Steven Chu, William Phillips und Claude Cohen-Tannoudji im Lauf der vergangenen zehn Jahre Pionierarbeit geleistet.

Weltweit gibt es mittlerweile eine Reihe von Forschungsgruppen, die die Techniken der Atomkuehlung beherrschen und fuer weitergehende Experimente einsetzen. So auch die muensterschen Kernphysiker um Andrae, die bereits langjaehrige Erfahrung auf dem Gebiet vorweisen koennen. Die Idee dazu geht direkt auf eine Zusammenarbeit mit Cohen-Tannoudji zurueck. Andrae hatte 1983 ein paar Monate in Paris im Labor des Nobelpreistraegers verbracht, der schon damals an dem Thema arbeitete. Etwa drei Jahre spaeter hatten die muensterschen Physiker dann eine eigene Apparatur entwickelt, um Atome abzubremsen. Seitdem wird das Projekt im Sonderforschungsbereich "Polarisation und Korrelation in atomaren Stosskomplexen" gefoerdert.

Drei Doktoranden arbeiten derzeit unter Andraes Anleitung an dem gross angelegten Atomkuehlungsexperiment. Mit einer komplexen Laserapparatur erzeugen sie im Ultrahochvakuum einen fein gebuendelten, gelb leuchtenden Strahl kalter Natrium-Atome - "den besten und schoensten kalten Atomstrahl auf der Welt", wie Andrae und sein langjaehriger Mitarbeiter Dr. Julius Schmand stolz betonen. In einer magneto-optischen Atomfalle koennen sie eine Wolke von etwa zehn Millionen dieser Atome einige Sekunden lang festhalten. Mit blossem Auge sieht man die eingesperrten Atome als leuchtenden Punkt, der "hin und her tanzt", wie Schmand die Erscheinung beschreibt.

Der komplizierte Versuchsaufbau, an dem acht Laserstrahlen beteiligt sind, ist aeusserst empfindlich. Schon geringe Luftdruckschwankungen, Vibrationen, Staub oder Sonnenlicht stoeren die Laser so stark, dass das Experiment nicht funktioniert. Die Physiker sind deshalb gezwungen, nachts zu arbeiten, wenn das Institut menschenleer ist und die Stoereinfluesse am geringsten sind.

Kalte Atome sind in erster Linie fuer die Grundlagenforschung hoechst interessant. "Man muss in Extremsituationen der Natur schauen, um etwas Neues zu entdecken", erklaert Andrae. Denn im kalten Zustand zeigen Atome ganz ungewohnte Eigenschaften. Sie verhalten sich quantenmechanisch gesehen nicht mehr wie normale atomare Teilchen, sondern eher wie Licht.

Die muensterschen Kernphysiker wollen deshalb die Atomkuehlungstechnik fuer gezielte Untersuchungen nutzen. Sie entwickeln dazu zur Zeit ein Streuexperiment, in dem kalte Natrium-Atome aus dem praeparierten Strahl mit anderen Natrium- Atomen, die bereits in der Atomfalle gefangenen sind, zusammenstossen. Mit einem speziellen Detektor wird dann die raeumliche Verteilung der durch den Stoss gestreuten Teilchen gemessen. Sie soll Aufschluss geben ueber atomare Eigenschaften, die bisher noch niemand bei so tiefen Temperaturen untersuchen konnte. Die Wissenschaftler um Andrae erwarten, dass ihre Messungen neue Erkenntnisse ans Licht bringen, die von bisherigen Theorien abweichen. Sollten sich diese Hoffnungen bestaetigen, "dann haben wir etwas wirklich Neues gefunden".

Neben der reinen Grundlagenforschung sind allerdings auch technische Anwendungen der Atomkuehlung denkbar. "Es waere zum Beispiel moeglich", zitiert Andrae, "mit einem kalten Atomstrahl strukturierte Oberflaechenbeschichtungen zu erzeugen". Damit liessen sich etwa auf Mikrochips gezielt Muster im Nanometermassstab herstellen.


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