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StartseiteForschung aktuellQuantenlego mit Laserstrahlen27.12.2012

Quantenlego mit Laserstrahlen

Experimente mit ultrakalten Atomen simulieren Festkörper im Labor

Physik.- Bevor Wissenschaftler neue Werkstoffe herstellen, berechnen sie deren Eigenschaften im PC. Allerdings gelingt dies selbst mit Supercomputern nur schwer. Deshalb simulieren Physiker komplexe Werkstoffe vermehrt im Labor. Dafür fangen sie kalte Atome in Käfigen aus Licht und manipulieren sie.

Von Ralf Krauter

Im Lichtgitter gefangene Atome verhalten sich ähnlich wie Elektronen in einem Kristall. (picture alliance / dpa - Jan-Peter Kasper)
Im Lichtgitter gefangene Atome verhalten sich ähnlich wie Elektronen in einem Kristall. (picture alliance / dpa - Jan-Peter Kasper)

Der Physiker Markus Greiner ist seit Anfang des Jahres ordentlicher Professor an der Universität Harvard bei Boston. Er trägt Jeans und Pullover und führt den Besucher direkt ins Labor, im Erdgeschoss eines großen Backsteinbaus in der Oxford Street.

"Also da drüben ist ein fertiges Experiment. Und hier ist ein Experiment im Aufbau."

Markus Greiner ist Experte für ultrakalte Atome. Der Versuchsaufbau, an dem er gerade tüftelt, besteht aus zwei riesigen Stahltischen. Unter ihnen surren Pumpen mit blinkenden Leuchtanzeigen. Auf ihnen steht dicht an dicht ein Meer optischer Bauteile.

"Und alle Teile werden auch wirklich gebraucht. Also hier ist alles voller Spiegel und Strahlteiler und optischen Modulatoren, Linsen und alles Mögliche."

Knapp ein Dutzend verschiedene Laser braucht der Physiker für seine Präzisionsexperimente. Sie dienen dazu, Alkali-Atome wie Lithium, Kalium oder Rubidium auf milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt zu kühlen und anschließend zu manipulieren. Die kalten Atome, die Markus Greiner auf Knopfdruck erzeugt, schweben zunächst unbehelligt als Gaswolke in einem luftleeren Stahlkessel. Dann bugsiert er sie mit elektromagnetischen Feldern in ein sogenanntes optisches Gitter. Das ist ein komplexes Lichtmuster, das entsteht, wenn sich mehrere Laserstrahlen kreuzen und überlagern.

"Das ist sozusagen eine Potenziallandschaft, die so ein Bisschen aussieht wie ein Eierkarton – und die Atome verteilen sich über die Gitterplätze."

Der Clou dabei: Die im Lichtgitter gefangenen Atome verhalten sich ähnlich wie die Elektronen in einem Kristall. Ihr Verhalten im Detail zu untersuchen, erlaubt deshalb Einblicke ins Innere der Materie.

"Wir haben jetzt nicht Elektronen, die in einem Kristall umherschwirren. Stattdessen haben wir Atome, die in einem künstlichen Kristall umherschwirren, der aus Licht gebildet wird. Dieser Kristall heißt optisches Gitter. Und wenn wir da jetzt Atome rein laden, dann formen diese Atome neue Materiezustände, die eben eine enge Verwandtschaft haben zu dem, was man von echten Materialien kennt: Dass man einen Supraleiter hat, einen Isolator und so weiter."

Die Physiker nutzen die kalten Atome im optischen Gitter als Modell für reale Werkstoffe. Je nachdem, wie sie das Laser-Lichtgitter einstellen, verändert sich der Aktionsradius der gefangenen Atome. Ist die Lichtbarriere hoch, sitzen sie fest an ihren Plätzen, genau wie die Elektronen in einem Isolator. Wird die Hürde kleiner, können sich die Atome ein Stück weit bewegen - wie die Elektronen in einem Halbleiter. Verschwindet die Barriere ganz, haben die kalten Atome völlig freie Bahn – wie die Elektronen in einem Supraleiter.

Die künstlichen Kristalle aus Atomen und Laserlicht lassen sich auf Knopfdruck verändern und erlauben es, Theorien über die elektrischen und magnetischen Eigenschaften komplexer Werkstoffe zu prüfen.

"Ein theoretischer Festkörperphysiker hat sich vielleicht ein Modell ausgedacht, wo man denkt, dass man dort einen spannenden Effekt erwartet. Aber er kann das gar nicht ausrechnen, weil: Es ist extrem schwierig, diese Sachen auszurechnen. Wenn man Elektronen in einem Kristall hat, kommt man ganz schnell an die Grenzen der Rechenkapazität, wo auch selbst ein Supercomputer nicht mehr ausreicht. Aber wir können dann hergehen und überlegen: Wie können wir dieses Modell im Labor basteln? Das ist ein Bisschen wie Quantenlego."

Quantensimulation – so heißt dieser neue Forschungszweig, der vielleicht einmal den Weg zu effizienteren Elektromotoren oder ultraschnellen Computerfestplatten weisen könnte. Markus Greiners aktuelle Arbeiten zielen darauf ab, das Rätsel der Hochtemperatur-Supraleiter zu entschlüsseln.

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