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Erstes Bose-Einstein-Kondensat mit Calciumatomen

Seit 1995 können Bose-Einstein-Kondensate erzeugt werden, indem man hauptsächlich Alkali-Elemente bis nahe an den absoluten Nullpunkt kühlt. Völlig neue Möglichkeiten für Präzisionsmessungen bieten Erdalkali-Atome, da sie sehr schmale Übergänge im optischen Spektralbereich besitzen. In der PTB ist es weltweit zum ersten Mal gelungen, ein Bose-Einstein-Kondensat aus dem Erdalkalielement Calcium herzustellen.

Gemessene Dichteverteilung der Calciumatome mit dem nadelförmigen Bose-Einstein-Kondensat.

Wird ein stark verdünntes Gas bis fast zum absoluten Nullpunkt abgekühlt, so treten die quantenmechanischen Eigenschaften der Gasteilchen in den Vordergrund. Die Teilchen müssen dann als Wellen beschrieben werden. Wenn die sogenannte de-Broglie-Wellenlänge der Teilchen dem mittleren Teilchenabstand entspricht, tritt ein besonderer Zustand mit neuen Eigenschaften auf: Bei Bosonen, also Teilchen mit ganzzahligem Spin, findet dann ein Phasenübergang statt, in dem immer mehr Teilchen denselben Zustand besetzen. Dieser wird Bose-Einstein-Kondensat genannt. Seit ihrer ersten Erzeugung wurden Bose-Einstein-Kondensate für vielfältige Untersuchungen zu den Grundlagen der Quantenmechanik, als Modellsystem für Festkörper oder in der Quanten-Informationstechnik genutzt.

In der PTB ist es weltweit erstmalig gelungen, ein Bose-Einstein-Kondensat aus einem Erdalkali-Element herzustellen. Dazu wurden 2 · 106 in magneto-optischen Fallen vorgekühlte Calciumatome mit einer Temperatur von 20 µK in eine optische Dipolfalle geladen. Durch Abschwächen der Haltekraft verdampfen heiße Atome, wodurch die übrigbleibenden Atome gekühlt werden. Bei einer Temperatur von typischerweise 200 nK wird die kritische Temperatur mit 105 Atomen erreicht. Davon können etwa 2 · 104 Atome zu einem reinen Kondensat gekühlt werden.

Im Gegensatz zu den bisher üblichen Bose-Einstein-Kondensaten aus Alkalielementen bieten Erdalkalielemente wie Calcium oder auch Strontium, die beide in der PTB auf ihre Eignung als optische Uhren untersucht werden, mit ihren superschmalen Spektrallinien ganz neue Möglichkeiten für Präzisionsuntersuchungen. So könnten beispielsweise die Welleneigenschaften ausgenutzt werden, um hochempfindliche interferometrische Sensoren für Gravitationsfelder zu bauen. Dieses Ziel soll nun in der PTB weiter verfolgt werden – unter anderem als ein Forschungsschwerpunkt des Exzellenzclusters QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time-Research) in der PTB.

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