Gesundheit: Physik: Magische Atome

Die Mode ändert sich. In der Physik manchmal etwas langsamer als anderswo, aber auch hier. Vor 80 Jahren beruhte der Sexappeal der Atome noch darauf, dass man sie sich als Billardkugeln vorstellen konnte. Die Materie war den Forschern lange als Kontinuum erschienen - plötzlich gaben sich Atome als Kugeln zu erkennen: mit einem kleinen Kern, umgeben von einer Wolke aus Elektronen. Billard kam in Mode.

Neuerdings würden sich die Forscher nicht mehr so sehr für Billardkugeln interessieren, sagte Alain Aspect von der Universität Paris-Süd, dessen Experimente die moderne Physik maßgeblich geprägt haben. Denn ganz voneinander unabhängige Materiebestandteile sind die Atome nicht. Sie heben bisweilen sogar zu einem gemeinsamen Swing an. Und dann verhalten sich winzige Pakete aus 100 000 Atomen wie Lichtbündel: Die Strahlen eines Atomlasers können zum Beispiel an Spiegeln reflektiert werden und sich gegenseitig überlagern.

"Heute ist es für die Forscher viel spannender, dass die Billardkugeln auch wie Wellen daherkommen können", sagte Aspect in seinem Eröffnungsvortrag bei der Europäischen Konferenz für Atom- und Molekülphysik. Er gab den mehr als 600 Physikern im Auditorium der Technischen Universität Berlin ein Bild davon, wann sich die Atome derart ungewöhnlich gebärden und welchen Nutzen die Physiker künftig daraus ziehen könnten.

Unter normalen Umständen neigen Atome nicht dazu, allzusehr zu überlappen. Ihre Wellenlänge ist sehr klein. Man müsste Atome sehr dicht zusammenbringen, damit sie sich gegenseitig ähnlich wie Lichtteilchen spüren. Eine solch zarte Bande käme trotzdem nie zustande. Denn schon lange vorher würden ganz andere Kräfte zwischen ihnen wirksam, die zwei Atome zum Beispiel chemisch miteinander zu einem Molekül verbandeln - eine handfeste, aber vergleichsweise unsensible Verbindung.

Helium-Atome bilden da eine gewisse Ausnahme. Das Edelgas ist reaktionsträge. Besonders präparierte Helium-Gemische können, chemisch gesehen, noch inaktiver sein: Wenn man etwa Atome in einem gehobenen, recht langlebigen (metastabilen) Energiezustand auswählt. Die energiereichen Helium-Atome geraten dann zwar mitunter so heftig aneinander, dass eines dem anderen ein Elektron entreißt. Aber auch diese Reaktion lässt sich mit einem Trick unterdrücken. Wenn alle Atome den selben Drehimpuls (Spin) haben, gehen sie sich in ähnlicher Weise aus dem Wege wie zwei positiv geladene Partikel.

Aspect hat eine solches Helium-Gemisch erst vor wenigen Wochen erstmals in eine sichtbare Materiewelle verwandelt. Er kühlte die Atome dazu in einer magnetischen Falle sehr stark ab - bis hinab zu Temperaturen, die millionenfach unter den Alltagsgraden liegen. Wie durch das Blasen über eine Kaffeetasse verscheuchte Aspect die jeweils heißesten Atome. Was in der Falle blieb, wurde kälter und kälter, die zuvor wild durcheinander fliegenden Atome immer langsamer und dichter.

Sie tummelten sich jetzt fast alle auf dem niedrigsten Energielevel. Plötzlich war ihre Wellenlänge groß genug, dass sich die Atome überlappten. Alle Atome bildeten eine Einheit und schwangen miteinander im Gleichtakt: ein schon von Albert Einstein vorausgesagtes und 1995 erstmals entdecktes Bose-Einstein-Kondensat.

Aspect und seine Kollegen können den magnetischen Käfig öffnen. Dann fällt das Atompaket im Schwerefeld der Erde nach unten. Es zeigt viele Eigenschaften eines Laserstrahls. "Das ist geradezu magisch", schwärmte der Physiker. Bisher handele es sich um reine Grundlagenforschung. Aber vielleicht könne man mit einem Laserstrahl aus Helium-Atomen eines Tages Präzisionsmessungen machen und beispielsweise Materialien sehr genau bearbeiten. Geeignete Spiegel für solche Strahlen hat Aspect schon parat. Und für weitere Forschungen sogar Stellen für junge Mitarbeiter frei. So wenig ist Physik in Mode!