Gesundheit : Neuartiger Laser: Ultrakalter Strahl macht Allerkleinstes sichtbar

Tobias Beck

Im Gleichschritt Marsch, lautet die Devise der Physiker, wenn sie versuchen, mit Atomstrahlen die Nanowelt zu erkunden. Denn wenn Atomstrahlen im einheitlichen Rhythmus marschieren, dann werden diese zum so genannten Atomlaser, einem heißbegehrten Forschungsobjekt, das es vielleicht schon bald erlauben wird, neue Erkenntnisse im Bereich des Nanokosmos zu erhalten.

Der Atomlaser funkioniert im Prinzip nach derselben Methode, wie sie in CD-Spielern, Glasfaserkabeln oder Laserpointern angewandt wird. Dort allerdings sind Photonen am Werk, die Teilchen, die das Licht transportieren. Der Atomlaser dagegen benutzt Bausteine der Materie. Der große Vorteil der physikalischen Parade im Gleichschritt ist bei beiden Laserarten, dass sie eine viel höhere Qualität haben als ein einfacher, diffuser Strahl.

Dies liegt daran, dass sich die vielen Millionen Teilchen - egal ob Photonen oder Atome - durch ein- und dieselbe Wellenfunktion beschreiben lassen, sie sind nicht mehr unterscheidbar und besitzen alle genau die gleichen Eigenschaften. Ein solches Verhalten ist nur möglich, weil die Teilchen den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen, die unter bestimmten Bedingungen zu einer solchen Gleichschaltung führen. Strahlen im Gleichschritt laufen nicht so schnell auseinander wie die diffusen. Um eine gute Auflösung zu erhalten, benutzt man also für den Blick durchs Mikroskop eine Beleuchtung mit Laserlicht.

Während die herkömmlichen Lichtlaser schon breiten Einzug in die verschiedensten Bereiche der Technik gefunden haben, steckt der Laser aus einzelnen Atomen noch in den Kinderschuhen praktischer Anwendung. Denn die Bedingungen, unter denen man die Atome in den Gleichschritt zwingt, sind extrem. Nur wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, bei minus 273 Grad, beginnen die Atome einheitlich zu marschieren. Bei diesen lausigen Temperaturen kondensieren die Atome zum so genannten Bose-Einstein-Kondensat, einer ultrakalten Teilchensuppe, in der es keine Unterschiede zwischen den einzelnen Zutaten mehr gibt.

Als eine Art Thermosflasche dient dabei ein Magnetfeld, das verhindert, dass die Suppe von außen erwärmt wird. Ein kleines Loch in der Magnetflasche bewirkt nun, dass die Teilchensuppe nach unten herausfließt - fertig ist der Atomlaser. Trotz der schwierigen Herstellung hat der Atomlaser einen entscheidenden Vorteil: die Wellenlänge - ein Maß für die Farbe des Lasers - ist winzig klein. Das genau ist der Vorteil des neuen Lasers, denn je kleiner die Wellenlänge eines Lasers ist, um so besser kann man damit in die Nanowelt blicken. Doch zum Bau eines Mikroskops benötigt man Methoden, mit denen man die Strahlen fokussieren und lenken kann.

Dieses entscheidende Problem auf dem Weg in die Anwendung hat jetzt eine Forschergruppe um Immanuel Bloch und Tilman Esslinger an der Uni München und im Max-Planck-Institut für Quantenoptik gelöst. Sie konstruierten einen Spiegel, mit dem man die atomaren Laserstrahlen lenken kann. Dieses Exemplar hat jedoch mit den vertrauten Spiegeln im Bad oder Schlafzimmer nichts mehr gemein. Um Atomstrahlen abzulenken muss man andere Wege gehen. Die Teilchenparade lässt sich nur noch durch äußere Felder beeinflussen. Doch das ist schwierig.

"Alle Versuche waren bisher erfolglos", sagt Theodor Hänsch, einer der Spiegelerfinder, "der Strahl sah danach immer aus, als hätte man ihn an Sandpapier reflektiert." Um die Oberfläche der Spiegel zu polieren, haben sich die Physiker einen Trick einfallen lassen. Sie schickten ihren Atomlaserstrahl durch eine geschickt positionierte Kombination aus einem Licht- und einem Magnetfeld. Die Anlage ist so konstruiert, dass der Strahl seine Bewegungsrichtung umdreht und zurückläuft. Das ist genau die Eigenschaft, die ein Spiegel haben muss.

Bis zu 98 Prozent des Strahls kann auf diese Weise gelenkt, fokussiert, oder einfach eingefangen werden. Eine Tatsache, die dem Atomlaser den Weg in die Zukunft ebnet. Denn neben der Mikroskopie hat der kalte Strahl noch andere Stärken. Er könnte in kleinen Atomuhren Verwendung finden oder quasi als Tintenstrahldrucker in der Nanowelt fungieren und kleinste, atomare Strukturen zu Papier bringen.

Die Forscher sind zuversichtlich. "Das erste Mikroskop könnte schon in diesem Jahr gebaut werden", sagt Theodor Hänsch. Dass die Atomlaser irgendwann eine ebenso große Anwendung finden wie die Lichtlaser, ist indes ziemlich unwahrscheinlich. Dazu sind die Bedingungen, unter denen die kalten Kondensate erzeugt werden, zu extrem. Dem atomlaserbetriebenen CD-Spieler wäre es nahe am absoluten Nullpunkt schlicht ein paar Grade zu kalt.

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