Atomwolken lassen sich heute routinemäßig auf wenige milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt herunterkühlen. Noch tiefere Temperaturen lassen sich erreichen, wenn man die Entropie im System gezielt verringert, wie Markus Greiner und seine Kollegen von der Harvard University in Cambridge, US-Bundesstaat Massachusetts, nun mit einer neuen Methode demonstrieren. Wichtig ist das zum Beispiel für so genannte Quantensimulatoren, mit denen sich anhand von ultrakalten Atomen wichtige Eigenschaften eines realen, komplexen Systems nachstellen und so besser verstehen lassen.

Bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt befinden sich die Atome bereits in ihrem niedrigsten Energiezustand. Um ein solches System noch weiter abzukühlen, nutzen Greiner und sein Team nun ein Phänomen, das aus der abstoßenden Wechselwirkung zwischen räumlich stark eingeschränkten Partikeln resultiert. Sie sperrten dafür neutrale Rubidiumatome in einem optischen Gitter ein, das sie mit Hilfe des Interferenzmusters zweier Laserstrahlen formten.

Zunächst befanden sich zwischen ein und vier Atome an jedem Gitterplatz. In einem nächsten Schritt modulierten die Forscher die Tiefe der Gitterplätze, also die Intensität der Maxima, und konnten so einzelne Atome in einen höheren Energiezustand anregen. Auf Grund der Wechselwirkungen zwischen den Atomen wird dabei gleichzeitig die Anregung eines anderen Atoms auf demselben Gitterplatz unterdrückt, berichten die Forscher.

Angeregte Atome können dann aus dem System entfernt werden. Auf diese Weise lassen sich Gitterplätze mit überschüssigen Atomen korrigieren und so die Entropie und damit die Temperatur des Systems weiter verringern. In ihrem Experiment konnten die Wissenschaftler die Anzahl tatsächlich auf jeweils ein Atom pro Gitterplatz reduzieren. Wie auch vorherige Methoden lässt das neue Verfahren somit eine genaue Kontrolle zu, wie viele Teilchen einen bestimmten Gitterplatz besetzen.

Die Kombination der beiden Eigenschaften ist zum Beispiel von Interesse für die Entwicklung von Quantencomputern. Denn sie könnte den Bau von Quantenregistern mit tausenden ultrakalten Atomen als Recheneinheiten ermöglichen. Zudem bieten die eingesperrten Atome ein großes Potenzial für die Festkörperphysik. Denn im Gegensatz zu realen Vielteilchensystemen lassen sich die Bausteine in solchen ultrakalten Systemen extrem gut kontrollieren und so theoretische Modellsysteme simulieren. Computermodelle schaffen das nicht, da selbst Supercomputer wegen der benötigten Rechenleistung schnell an ihre Grenzen geraten.

In Quantensimulatoren könnten Physiker zum Beispiel die relevanten Eigenschaften von stark korrelierten Elektronensystemen wie etwa Quantenmagneten oder Hochtemperatursupraleitern nachstellen und untersuchen. Dafür bedarf es allerdings noch niedrigerer Temperaturen als bisher erreichbar. Mit der neuen Methode ließen sich theoretisch ausreichend tiefe Temperaturen von einigen billionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt realisieren. Unzulänglichkeiten im Experiment, etwa die von den Laserstrahlen induzierte Wärme, verhindern das momentan allerdings noch.