Quantenoptik: Einbahnstraße für ultrakalte Teilchen
Physiker der Universität Bonn konnten erstmals aus den chaotischen Schwingungen von Quantengasen eine gradlinige Bewegung erzeugen. Die Methode der Forscher um Martin Weitz arbeitet ähnlich einer mechanischen Ratsche und sperrt Bewegung entgegen der Zielrichtung. Die neuen Erkenntnisse könnten zukünftig für Nanomotoren interessant sein, die nur aus wenigen Atomen zusammengesetzt sind.
Bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunks funktioniert dieses anschauliche System jedoch nicht mehr ohne Weiteres. Die Atome sind nun keine greifbaren Teilchen mehr, sondern nehmen als diffuses Quantengas jeden Punkt im Raum gleichzeitig ein. Auch die Zeit besitzt für sie keine eindeutige Richtung mehr, und sie würden sich auf der Ratsche gleichzeitig vorwärts und rückwärts bewegen – im Mittel also stillstehen. Dies vermieden Weitz und seine Mitarbeiter, indem sie die Laser nicht abrupt und regelmäßig ein- und ausschalteten, sondern seine Intensität im Wechsel langsam steigen und schnell fallen ließen. Der Zeitablauf war auf diese Weise vorwärts und rückwärts betrachtet nicht mehr identisch, und die Teilchen bevorzugten daher nun auch eine Raumrichtung.
Die Quantenratsche der Physiker besteht aus Laserstrahlen, die derart überlappten, dass sie für die Teilchen ein sich wiederholendes Muster aus anziehenden und abstoßenden Flächen schaffen – bildlich vergleichbar mit einem Sägeblatt aus Dreieckszähnen. Längere Schrägen, auf denen die Teilchen in eine Richtung "rutschen", wechseln sich ab mit steilen Anstiegen, die ihr Weiterkommen blockieren. Bei Abschalten des Lasers verschwinden die Zähne, und einige der Teilchen gelangen durch ihre zufälligen Bewegung auf die andere Seite der vormaligen Steigung. Wechselndes An- und Ausschalten der Zähne bewirkt so, dass die Atome von einer Schräge zur nächsten weitergereicht werden und sich langsam in Richtung der Gefälle bewegen.
Bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunks funktioniert dieses anschauliche System jedoch nicht mehr ohne Weiteres. Die Atome sind nun keine greifbaren Teilchen mehr, sondern nehmen als diffuses Quantengas jeden Punkt im Raum gleichzeitig ein. Auch die Zeit besitzt für sie keine eindeutige Richtung mehr, und sie würden sich auf der Ratsche gleichzeitig vorwärts und rückwärts bewegen – im Mittel also stillstehen. Dies vermieden Weitz und seine Mitarbeiter, indem sie die Laser nicht abrupt und regelmäßig ein- und ausschalteten, sondern seine Intensität im Wechsel langsam steigen und schnell fallen ließen. Der Zeitablauf war auf diese Weise vorwärts und rückwärts betrachtet nicht mehr identisch, und die Teilchen bevorzugten daher nun auch eine Raumrichtung.
Für den Bau immer kleinerer beweglicher Teile könnten die Erkenntnisse der Bonner Physiker zukünftig von Bedeutung sein, denn je näher solche Maschinen dem Maßstab einzelner Atome kommen, umso mehr müssen Konstrukteure Quanteneffekte berücksichtigen. (rs)
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