Schematische Darstellung der Ausbreitung der Atome durch das Experiment. (Universität Amsterdam/Scixel) Ein neuer Durchbruch hat es Physikern ermöglicht, einen Strahl aus Atomen zu erzeugen, der sich genauso verhält wie ein Laser und der theoretisch „für immer“ eingeschaltet bleiben kann.
Dies könnte endlich bedeuten, dass die Technologie auf dem Weg zur praktischen Anwendung ist, obwohl noch erhebliche Einschränkungen bestehen.
Dennoch ist dies ein großer Fortschritt für einen sogenannten „Atomlaser“ – einen Strahl aus Atomen, der als einzelne Welle marschiert und der eines Tages zum Testen grundlegender physikalischer Konstanten und zur Entwicklung von Präzisionstechnologie verwendet werden könnte.
Atomlaser gibt es schon seit einer Minute. Der erste Atomlaser wurde von einem Team des MIT entwickelt Physiker im Jahr 1996 . Das Konzept klingt ziemlich einfach: So wie ein herkömmlicher lichtbasierter Laser aus Photonen besteht, die sich synchron mit ihren Wellen bewegen, müsste ein Laser aus Atomen ihre eigene wellenartige Natur ausrichten, bevor sie als Strahl verteilt wird.
Wie bei vielen Dingen in der Wissenschaft ist es jedoch einfacher, Konzepte zu fassen als sie umzusetzen. An der Wurzel des Atomlasers befindet sich ein Aggregatszustand genannt Bose-Einstein-Kondensat , oder BEC.
Ein BEC entsteht durch Abkühlen einer Wolke aus Bosonen auf nur einen Bruchteil über dem absoluten Nullpunkt. Bei solch niedrigen Temperaturen sinken die Atome in ihren niedrigstmöglichen Energiezustand, ohne vollständig zum Stillstand zu kommen.
Wenn sie diese niedrigen Energien erreichen, können die Quanteneigenschaften der Teilchen nicht mehr miteinander interferieren; Sie bewegen sich so nah beieinander, dass sie sich irgendwie überlappen, was zu einer hochdichten Atomwolke führt, die sich wie ein „Superatom“ oder eine Materiewelle verhält.
Allerdings sind BECs so etwas wie ein Paradoxon. Sie sind sehr zerbrechlich; Selbst Licht kann ein BEC zerstören. Vorausgesetzt, die Atome in einem BEC sind mittels optischer Laser gekühlt Dies bedeutet normalerweise, dass die Existenz eines BEC nur von kurzer Dauer ist.
Atomlaser, die Wissenschaftler bisher entwickelt haben, sind eher gepulste als kontinuierliche Laser; und das Abfeuern nur eines Impulses erfordert, bevor ein neuer BEC erzeugt werden muss.
Um ein kontinuierliches BEC zu schaffen, erkannte ein Forscherteam der Universität Amsterdam in den Niederlanden, dass etwas geändert werden musste.
„In früheren Experimenten erfolgte die allmähliche Abkühlung der Atome vollständig an einem Ort.“ „In unserem Aufbau haben wir beschlossen, die Abkühlungsschritte nicht über die Zeit, sondern im Raum zu verteilen: Wir bewegen die Atome, während sie aufeinanderfolgende Abkühlungsschritte durchlaufen“, erklärte Physiker Florian Schreck .
„Am Ende erreichen ultrakalte Atome das Herzstück des Experiments, wo sie in einem BEC zur Bildung kohärenter Materiewellen verwendet werden können.“ Doch während diese Atome genutzt werden, sind bereits neue Atome unterwegs, um das BEC wieder aufzufüllen. Auf diese Weise können wir den Prozess im Wesentlichen für immer am Laufen halten.“
Dieses „Herzstück des Experiments“ ist eine Falle, die das BEC vor Licht schützt, ein Reservoir, das während der Dauer des Experiments kontinuierlich aufgefüllt werden kann.
Der Schutz des BEC vor dem vom Kühllaser erzeugten Licht war in der Theorie zwar einfach, in der Praxis jedoch etwas schwieriger. Es gab nicht nur technische, sondern auch bürokratische und administrative Hürden.
„Als wir 2013 nach Amsterdam zogen, begannen wir mit einem Vertrauensvorschuss, geliehenen Mitteln, einem leeren Raum und einem Team, das vollständig durch persönliche Zuschüsse finanziert wurde.“ sagte der Physiker Chun-Chia Chen , der die Forschung leitete.
„Sechs Jahre später, in den frühen Morgenstunden des Weihnachtsmorgens 2019, stand das Experiment endlich kurz vor dem Erfolg. „Wir hatten die Idee, einen zusätzlichen Laserstrahl hinzuzufügen, um ein letztes technisches Problem zu lösen, und sofort zeigte jedes Bild, das wir machten, ein BEC, das erste Dauerstrich-BEC.“
Nachdem nun der erste Teil des kontinuierlichen Atomlasers realisiert wurde – der „kontinuierliche Atom“-Teil – besteht der nächste Schritt, so das Team, darin, einen stabilen Atomstrahl aufrechtzuerhalten. Dies könnten sie erreichen, indem sie die Atome in einen nicht gefangenen Zustand überführen und so eine sich ausbreitende Materiewelle extrahieren.
Da sie Strontiumatome verwendeten, eine beliebte Wahl für BECs, eröffne die Aussicht spannende Möglichkeiten, sagten sie. Mithilfe der Atominterferometrie mithilfe von Strontium-BECs könnten beispielsweise Untersuchungen zur Relativitätstheorie und Quantenmechanik durchgeführt oder Detektionen durchgeführt werden Gravitationswellen .
„Unser Experiment ist das Materiewellen-Analogon eines optischen Dauerstrichlasers mit vollständig reflektierenden Hohlraumspiegeln“, schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
„Diese Demonstration des Grundsatzes liefert ein neues, bisher fehlendes Stück Atomoptik, das den Bau von Geräten mit kontinuierlicher kohärenter Materiewelle ermöglicht.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .