Gesundheit: Ganz cool Atome fast bis zum

Wie man cool wird, weiß Gerhard Rempe ganz genau. Obwohl der Physiker im türkisfarbenen Poloshirt mit grauem Kinnbart und leicht schütterem Haar nicht unbedingt nach Trendsetter aussieht. Seit kurzem jedoch ist Rempe sogar Weltmeister, wenn es darum geht, Atome kalt zu machen.

Das Rezept hat der Wissenschaftler aus dem Max-Planck Institut für Quantenoptik in Garching gemeinsam mit Kollegen im Fachblatt „Nature“ (Band 428, Seite 50) veröffentlicht. Fünf Jahre lang hat das Team daran gearbeitet, ein Rubidium-Atom perfekt zu kühlen. Zum Einfangen des Teilchens dient eine „optische Falle“, die mit einem Laserstrahl und zwei Spiegeln arbeitet. Läuft der Laser zwischen diesen Spiegeln hin und her, bildet sich eine „stehende Lichtwelle“, eine Art Gebirge aus Licht.

Gipfel und Täler aus intensivem und schwachem Laserlicht wechseln sich zwischen den Spiegeln ab. Die einzelnen Atome wandern dorthin, wo die Intensität des Lichts am größten ist. Dort fühlen sie sich rege und warm. Optische Fallen waren zwar schon lange bekannt. Zur Kühlung erzeugten die Forscher jetzt aber mit einem zweiten Laser ein weiteres Lichtgebirge zwischen den Spiegeln. Beim Besteigen der Gipfel wurden die Atome dieses Mal kalt.

Das liegt am Brechungsindex der Atome, der bewirkt, dass die Teilchen bei der zweiten Wanderung die Struktur des Lichtgebirges verändern. Wenn ein Atom auf einem Gipfel starker Lichtintensität sitzt, rücken die anderen näher zusammen. „Die Wellenlänge zwischen den Spiegeln verkleinert sich“, sagt Rempe. Das kostet die Atome Energie, sie werden langsamer und kälter. Das Rubidiumatom in Garching hat es auf 100 Millionstel Grad über den absoluten Nullpunkt von Minus 273 Grad Celsius gebracht.

Das neue Kühlsystem ist schneller und besser als die bisher bekannten. Zudem kann man nicht nur Rubidiumatome auf die Tour zu den Lichtgipfeln schicken. „Wir sind in der Lage, alle Arten von Materialen auf diese Temperaturen zu kühlen“, erklärt Rempe. Bisher gelang dies nur bei speziellen Atomsorten. Das könnte in Zukunft anders sein: Moleküle, Viren, Proteine, prinzipiell lässt sich alles in der neuen Eisbox ultrakalt herstellen. Dabei können völlig neue Eigenschaften entstehen.

Besonders der Quantencomputer könnte davon profitieren. Im Gegensatz zum heimischen PC arbeitet dieser nicht mit Transistoren und elektrischem Strom, sondern mit „verschränkten Quantenobjekten“, das sind einzelne Teilchen, die miteinander kommunizieren. Noch existiert der Rechner weitgehend nur auf Papier, aber die superkalten Atome lassen die Forscher auf eine Verwirklichung ihrer Träume hoffen.

Auf ihren Lichtbergen sitzend, könnten die kalten Teilchen durch eine Art physikalische Unterhaltung von Gipfel zu Gipfel Rechnungen anstellen, an denen selbst Großanlagen heute scheitern. „Das ist Zukunftsmusik“, sagt Rempe. An der Verschränkung von Atomen in Lichtgebirgen wird in Garching aber schon gearbeitet. In einem Jahr hoffen die Forscher, könnte es so weit sein: Dann sollen zwei superkalte Atome auf den Gipfeln aus Laserlicht sitzen – und zum Zwecke schneller Rechnungen miteinander kommunizieren.

Tobias Beck