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Ausgabe 3/2002

 

Physik

Moses und die Quantenpfütze

Hans Schuh

 

Münchner Physiker haben einen neuen Zustand der Materie geschaffen. Dabei gelang ihnen das Kunststück, eine Quantenflüssigkeit zu teilen, erstarren und dann wieder zurückschwappen zu lassen

 

Wie viele Aggregatzustände der Materie gibt es? Drei, würde Otto Normalphysiker sagen und mit Blick auf die Substanz, aus der sein Körper zum größten Teil besteht, aufzählen: erstens flüssig (Wasser). Zweitens fest (Eis). Und drittens gasförmig (Dampf). Bei extrem hohen Temperaturen können die Dampfmoleküle wiederum zerrissen werden in Atomkerne und Elektronen. Sie bilden ein Plasma, den vierten Aggregatzustand.

Doch damit nicht genug. Inzwischen gibt es zwei weitere Zustände der Materie. Der eine ist recht neu, seine Schöpfer erhielten vor wenigen Wochen den Nobelpreis. Bose-Einstein-Kondensat heißt ihre Kreation. Der andere ist brandneu und wurde soeben von Münchner Physikern erstmals beschrieben (Nature, Bd. 415, S. 39). Mott-Isolator heißt der jüngste Materiekuchen aus der Bäckerei der Experimentalphysiker. Die beiden Aggregatzustände sind typische Gebilde der Quantenwelt und eng verwandt: Während das Bose-Einstein-Kondensat stark einer Flüssigkeit ähnelt - die Physiker reden salopp von einer "Quantenflüssigkeit" -, entspricht der Mott-Isolator einem Kristall mit strenger innerer Struktur (siehe Zeichnung).

Den Münchner Physikern ist es dabei gelungen, eine Quantenflüssigkeit, bestehend aus einigen hunderttausend Rubidiumatomen, erstarren zu lassen zum Mott-Isolator. In ihm sind dieselben Rubidiumatome plötzlich fein säuberlich geordnet, vergleichbar mit in Reih und Glied gestapelten Eiern, die in den üblichen Kartons feilgeboten werden. Zwischen der Isolatorform und flüssigem Kondensat lässt sich beliebig oft und schnell hin- und herschalten, als befehligten die Forscher nicht Atome, sondern eine Kompanie Soldaten. Halt! Alle stehen stramm. Marsch! Im Gleichschritt paradieren die Atome.

Diese Schaltmöglichkeit ist zunächst nur akademische Spielerei. Doch zusammen mit anderen Fortschritten der Quanten- und Tieftemperaturphysik öffnet sich langfristig die Perspektive, Atome ähnlich gut manipulieren zu können wie heute das Licht mit Lasern oder Elektronen mit Transistoren und Chips. Wohin die Quantenreise führen wird, weiß niemand. Schließlich hat ja auch keiner an der Wiege des Transistors den Siegeszug von Computer und Internet gesungen oder vorausgesagt, dass Laser massenhaft in CD-Playern und Kaufhauskassen blitzen.

Die neu entdeckte Schaltmöglichkeit könne "nützlich sein zum Ausführen von Quantenrechnungen", heißt es in einem Kommentar von Nature. Ähnliches stellte auch Immanuel Bloch, einer der fünf Entdecker des neuen Effekts, in einem Fernsehbericht in Aussicht. Gegenüber der ZEIT gibt er allerdings lachend zu, dass der viel beschworene superschnelle Quantencomputer ähnlich gespensterhaft ist wie der famose Fusionsreaktor. Von Letzterem schwärmen Plasmaphysiker seit Jahrzehnten.

"Unsere Veröffentlichung ist eindeutig Grundlagenforschung", sagt Immanuel Bloch, der zusammen mit Theodor Hänsch und zwei weiteren Kollegen gleichzeitig an der Ludwig-Maximilians-Universität München und am Garchinger Max-Planck-Institut für Quantenoptik arbeitet. Fünfter im Bunde war der Quantenelektroniker Tilmann Esslinger von der ETH Zürich. Das Quintett schaffte es, die Quantenflüssigkeit völlig berührungslos aufzuteilen, streng zu schichten und dann wieder zurückschwappen zu lassen in den ursprünglichen Zustand. Dieses Kunststück der reversiblen Teilung und Schichtung von Flüssigkeit hatte bis dahin nur einer vollbracht: Moses, beim Auszug der Israeliten aus Ägypten.


Im Superfluidum ersäuft kein Floh

"Als nun Mose seine Hand über das Meer reckte, ließ es der HERR zurückweichen ... Und die Kinder Israel gingen hinein mitten ins Meer auf dem Trockenen, und das Wasser war ihnen eine Mauer zur Rechten und zur Linken." Kaum waren sie hindurch, da hob Moses erneut die Hand. Die Wassermauern brachen und ersäuften das nachfolgende Heer der Ägypter.

Die fünf Quantenphysiker experimentierten kleinteiliger als der biblische Held. Obwohl ihre Flüssigkeit Hunderttausende Rubidiumatome enthält, ist die Menge viel zu gering, um nur einen Floh darin zu ersäufen. Dem Floh gelänge auch kein einziger Zug, wollte er probehalber an der winzigen Quantenpfütze saugen. Denn deren Inhalt ist ultrakalt, seine Temperatur liegt nur ein milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius). In dieser nahezu totalen Kältestarre verlieren die Rubidiumatome ihren Charakter als Teilchen, wie von dem Inder Satyendra Bose und von Albert Einstein vorhergesagt. Dagegen tritt der atomare Wellencharakter mehr und mehr zutage; schließlich verschmelzen alle Atomwellen zu einer Superwelle - dem Bose-Einstein-Kondensat. Im Inneren dieser seltsamen Quantenflüssigkeit flutschen die Rubidiumwellen ohne jegliche Reibung aneinander vorbei, man spricht von einer "Supraflüssigkeit".

Diesen merkwürdigen Quantenzustand durchleuchten die Physiker mit drei senkrecht zueinander stehenden Laserlichtquellen (von vorn, oben und rechts). Gegenüberliegende Spiegel werfen dabei das Laserlicht von hinten, unten und links zurück. Da sich Wellen gegenseitig aufschaukeln (wenn zwei Wellenberge aufeinander treffen) oder auslöschen (wenn Wellenberg auf Wellental trifft), bildet das Laserlicht ein regelmäßiges dreidimensionales Helldunkelmuster, auch Interferenzmuster genannt. In seiner Struktur gleicht das durch die Flüssigkeit hin und zurück laufende Licht nun einem Kristallgitter mit abwechselnd hellen und dunklen Punkten.

Die Quantenflüssigkeit ließ sich von diesem Lichtgitter zunächst nicht beeindrucken. Doch als die Forscher die Lichtintensität allmählich steigerten, erreichten sie plötzlich einen Punkt, an dem das sanft flutende Meer der Rubidiumwellen erstarrte zu fest sitzenden Einzelteilchen. Rrrums, als ob ein reibungslos und im Gleichtakt einherschwimmender Fischschwarm urplötzlich eingesperrt würde. Das Lichtgitter, das zunächst extrem durchlässig ist, bildet gewissermaßen schlagartig undurchdringliche Kleinkäfige. Mott-Isolator heißt dieser starre, theoretisch vorhergesagte Aggregatzustand. Das Kuriose dabei ist: In jedem der regelmäßigen Käfigabschnitte sitzt nun fein sortiert jeweils die gleiche Zahl von Rubidiumatomen. Und die verhalten sich individuell, als wüssten sie nicht mehr, dass sie zuvor noch unidentifizierbar im Gleichtakt mitschwammen im großen Schwarm. Doch sobald die Forscher die Laserlichtintensität wieder unter die kritische Schwelle senken, flutschen die Rubidiumatome zurück in die gemeinsame Quantenpfütze.

"Ja, wir haben quasi einen Schalter gefunden, der es ermöglicht, zwischen zwei Zuständen der Materie hin- und herzuschalten", sagt Immanuel Bloch. Das demonstriert drastisch den Doppelcharakter der Materie: Einmal verhalten sich die Atome wie räumlich verschmierte Wellen, dann wieder wie lokalisierbare, klassische Teilchen. Über diesen Welle-Teilchen-Dualismus werden seit Jahrhunderten Debatten in der Physik geführt. So betrachtete Isaac Newton Licht noch als Teilchenschwarm, bis Thomas Young zeigen konnte, dass Licht Wellencharakter hat und Interferenzmuster bildet. Einstein wiederum erhielt den Nobelpreis für seine Entdeckung, dass Licht doch als Strom einzelner Teilchen (Photonen) verstanden werden kann. Alsbald schufen Max Planck, Niels Bohr und andere die Quantenphysik, die auf der Erkenntnis basiert, dass jegliche Materie, so wie das Licht, ein Doppelgesicht zeigt: Mal besteht sie aus Teilchen, mal ist sie Welle. Obwohl entscheidend an dieser Erkenntnis beteiligt, wollte sich Einstein nie richtig damit abfinden. Wenige Jahre vor seinem Tod stöhnte er in einem Brief: "Fünfzig Jahre lang habe ich über der Frage gebrütet, was Lichtquanten sind, ohne der Antwort näher gekommen zu sein." Nun könnte er das vertrackte Phänomen des Welle-Teilchen-Dualismus in München direkt studieren.

Schon oft haben simple Experimentiermöglichkeiten die Theorie vorangebracht. Bisher gibt es noch keine befriedigende Erklärung für Phänomene wie die Supraflüssigkeit oder die Supraleitfähigkeit. Warum schwindet im supraflüssigen Helium plötzlich alle innere Reibung, sodass das Zeug sogar bergauf fließt? Immerhin hat es große Ähnlichkeit mit einem Bose-Einstein-Kondensat. Gleiches gilt für die Supraleiter, Stoffe, die unterhalb einer kritischen Temperatur elektrischen Strom widerstandslos leiten. Ganze Industriezweige lechzen nach billigen Supraleitern, die keiner aufwändigen Kühlung bedürfen. Man weiß auch, dass kleine Änderungen der chemischen Zusammensetzung Hochtemperatursupraleiter plötzlich zu stromsperrenden Mott-Isolatoren verwandeln.

Forscher in Tübingen und München haben bereits briefmarkengroße Chips entwickelt, mit denen sich Bose-Einstein-Kondensate schnell herstellen lassen. Noch vor wenigen Jahren erforderte dies raumfüllende Apparaturen. So lernen nun die Quantenphysiker, einzelne Atome und ganze Atomverbände ähnlich zu manipulieren wie die Photonen in Lasern. Auch wenn noch unklar ist, welche Vorteile das bringen wird, eines lässt sich bereits sagen: Es dürfte zu noch präziseren Messinstrumenten führen als bisher. Denn die Messgenauigkeit steigt, je kürzer die Wellenlänge des benutzten Mediums ist. So übertrifft ein Elektronenmikroskop das Lichtmikroskop. Und wer Atome mit ihren extrem kurzen Wellenlängen nutzen kann, der darf buchstäblich auf einen Quantensprung in der Genauigkeit hoffen. Sollten sich dereinst sogar Atome verschieben lassen wie die Kugeln eines Abakus, dann gäbe es bald Computer mit traumhaften Leistungen.

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