Physiker nähern sich dem absoluten Nullpunkt an

23. Dezember 2011, 12:10
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Mit neuer Kühlmethode dringen Forscher von der Harvard University in den Picokelvin-Bereich vor

Wissenschafter von der Harvard University in Massachusetts haben eine neue Methode entwickelt, um die tiefsten bislang auf der Erde erreichten Temperaturen herzustellen. Die Fähigkeit, derart niedrige Temperaturen zu produzieren, ermöglicht es den Forschern fundamentale Materie-Eigenschaften und Effekte der Quantenmechanik zu studieren. Außerdem ließen sich mit den neuen Techniken Speicher für zukünftige Quantencomputer konstruieren.

Die neue Methode der sogenannten "Orbital excitation blockade" (OEB) basiert darauf, einem Quantengas Entropie zu entziehen, indem einzelne "heiße" Elementarteilchen gezielt ausgewählt und eliminiert werden. Übrig bleiben auf diesem Weg nur mehr die allerkältesten Atome.

Annäherung an den Nullpunkt

Die von Wissenschaftern erreichten Tiefsttemperaturen haben sich in den vergangenen Jahren immer näher an den absoluten Nullpunkt von 0 Kelvin bzw. -273,15 Grad Celsius heran getastet. Die bisherige Rekordmarke liegt bei einigen Nanokelvin, also wenige Milliardstel Grad über dem Nullpunkt. Mit der von deutschen und US-amerikanischen Wissenschaftern entwickelten Technik sei es nun möglich, in den Picokelvin-Bereich vorstoßen, heißt es in der entsprechenden Studie im Fachjournal "Nature".

"Für die nächste Generation von Quantenmaterialien haben wir eine neue, smarte Kühltechnik, die über Quantenoperationen die Temperatur von ultrakalten Atomen weiter senken kann, demonstriert", erklärt der Leiter der Arbeitsgruppe an der Harvard University in Cambridge, Markus Greiner. Die Forscher zeigten damit, dass sich bei einem Quantengas, das auf einem Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidium-Atomen basiert, neben der Kühlung durch Laser, Magnetfelder und Verdunstung mit Hilfe von algorithmischem Kühlen noch tiefere Temperaturen erreichen lassen.

Im Picokelvin-Bereich

Gelungen ist dies den Wissenschaftern rund um Greiner, indem sie die Rubidiumatome in sogenannte Potenzialtöpfe eines zweidimensionalen Gitters aus Laserstrahlen sperrten. Befanden sich zwei Atome in einer solchen Falle, regten die Physiker das System mit weiteren Laserpulsen an und hoben damit ein Atom in einen höheren Anregungszustand; auf diese Weise übertrugen sie dem Teilchen Entropie des zweiten Atoms, das weiter im Grundzustand verharrte. Schließlich ließen die Forscher das angeregte Atom entweichen: zurück blieb das einzelne Atom im Grundzustand, das durch den Entzug von Entropie im Prinzip bis in den Picokelvin-Bereich herunter gekühlt werden könnte.

Derart abkühlte Atome vermitteln den Forschern wertvolle Einblicke in grundlegende Quantenphänomene. Durch die neue Kühltechnik könnten Prozesse in supraleitenden Materialien in Zukunft besser verstanden werden. Darüber hinaus wäre die Methode eine Grundlage für hochleistungsfähige Quantencomputer. (red)

  • Das Quantengas unter einem speziellen Fluorenzenzmikroskop, das die Gruppe um Markus Greiner entwickelt hat: Jeder einzelner Leuchtpunkt gibt ein eingesperrtes Rubidium-Atom wieder.
    foto: markus greiner, harvard university

    Das Quantengas unter einem speziellen Fluorenzenzmikroskop, das die Gruppe um Markus Greiner entwickelt hat: Jeder einzelner Leuchtpunkt gibt ein eingesperrtes Rubidium-Atom wieder.

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