31.01.2010
Wird ein stark verdünntes Gas bis fast zum absoluten Nullpunkt abgekühlt, so werden die quantenmechanischen Eigenschaften der Gasteilchen wichtig, die dann als Wellen beschrieben werden müssen. Ein besonderer Zustand mit neuen Eigenschaften tritt auf, wenn die sogenannte de-Broglie-Wellenlänge der Teilchen dem mittleren Teilchenabstand entspricht. Haben die Teilchen einen ganzzahligen Spin (Bosonen), so findet ein Phasenübergang statt, bei dem immer mehr Teilchen den selben Zustand besetzen. Solche sogenannte Bose-Einstein-Kondensate wurden in den letzten Jahren für vielfältige Untersuchungen zu den Grundlagen der Quantenmechanik, als Modellsystem für Festkörper oder in der Quanteninformation eingesetzt.
Bei Bose-Einstein-Kondensaten aus Erdalkaliatomen (z.B. Calcium und Strontium, die beide an der PTB auf ihre Eignung als optische Uhren untersucht werden) bieten deren superschmale Uhrenübergänge ganz neue Möglichkeiten für Präzisionsuntersuchungen. Eine Anwendung von Bose-Einstein-Kondensaten liegt z.B. darin, deren Welleneigenschaften auszunutzen, um hochempfindliche interferometrische Sensoren für Gravitationsfelder zu bauen.
In der PTB ist es nun weltweit erstmalig gelungen ein Bose-Einstein-Kondensat aus Erdalkaliatomen herzustellen. Dazu wurden 2·106 in magneto-optischen Fallen vorgekühlte Calciumatome mit einer Temperatur von 20 µK in eine optische Pinzette geladen. Durch Abschwächen der Haltekraft verdampfen heiße Atome, wodurch die übrig bleibenden 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.
Gemessene Dichteverteilung der Calciumatome. Aus der Mitte der thermischen Atomwolke ragt das nadelförmige Bose-Einstein-Kondensat hervor.