Sie sind die kältesten Objekte des Universums und so anfällig, dass selbst ein einziges Photon sie erwärmen und zerstören kann. Bose-Einstein-Kondensate (Bode-Einstein condensates, BECs) bestehen nur aus einem Cluster von Atomen und bis jetzt war es nicht möglich, diese bemerkenswerten Materieformen gleichzeitig zu messen und zu kontrollieren.
In einer neuen Studie hat eine Forschungsgruppe aus Großbritannien und Australien eine neue Möglichkeit zur Messung von Bose-Einstein-Kondensaten vorgestellt. Sie verwendet ein Filter, um die von jenen Lichtstrahlen erzeugte Störung zu neutralisieren, die normalerweise zur Messung benutzt werden. Die Arbeit wurde am 28. November 2013 im New Journal of Physics des Institute of Physics und der Deutschen Physikalischen Gesellschaft veröffentlicht.
Das Filter kann aber nicht nur den besten Schätzwert für den Zustand von Bose-Einstein-Kondensaten liefern, indem es „Rauschen“ aus den Messungen entfernt. Basierend darauf, was bereits beobachtet wurde, kann es diese Messungen auch benutzen, um ein aktives Feedback auf die Bose-Einstein-Kondensate zu generieren und einen Teil der Wärme zu beseitigen. Man hofft, dass Wissenschaftler in der Lage sein werden, viel mehr Informationen über Bose-Einstein-Kondensate und ihre Verwendung in der Grundlagenforschung zu sammeln, wenn diese Theorie erst einmal experimentell realisiert wurde. Dazu gehören beispielsweise Atomlaser, um die Gravitation präzise zu messen, und Modelle zur Untersuchung der Hawking-Strahlung von Schwarzen Löchern. In der Zukunft könnte sie auch vom Militär genutzt werden, um Unterseeboote, Erdbunker und Bedrohungen zu orten und um Stealth-Technologie zu durchdringen.
Der leitende Autor der Studie, Michael Hush von der University of Nottingham, sagte: „Es ist so, als würde man versuchen zu prüfen, ob der Kühlschrank noch funktioniert, aber keine kalte Luft entweichen lassen will, indem man die Tür öffnet. Das kleinste bisschen Wärme kann ein Bose-Einstein-Kondensat zerstören und sogar viele der modernsten Bildgebungsinstrumente zerstören das Bose-Einstein-Kondensat nach nur einer einzigen Aufnahme. Experimentatoren haben demonstriert, dass ein Bose-Einstein-Kondensat für eine begrenzte Zeitspanne abgebildet werden kann, ohne zerstört zu werden, aber unsere Arbeit wird ihnen ermöglichen, es viel, viel länger abzubilden – möglicherweise unendlich.“
Bose-Einstein-Kondensate sind Ansammlungen von Atomen (Atom-Cluster), die bis auf nur 100 Nanokelvin über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt wurden. Bei dieser Temperatur verlieren die Atome ihre individuelle Identität und verhalten sich als eine makroskopische Einheit, fast wie ein Superatom. Weil Bose-Einstein-Kondensate extrem kalt sind, ist mit ihnen sehr wenig „Rauschen“ verbunden, deswegen sind sie ideal für die Untersuchung von Vorgängen, an denen Atome beteiligt sind (zum Beispiel die Analyse der Atomstruktur), weil sie sehr wenig Interferenzen zeigen werden.
Die beste Möglichkeit zur Messung eines Bose-Einstein-Kondensats ist die die Verwendung von nicht-resonantem Licht, was dazu tendiert, von den Atomen abzuprallen, anstatt absorbiert und wieder abgestrahlt zu werden. Letzteres geschieht bei dem Gebrauch von resonantem Licht. Nicht-resonantes Licht hat eine ganz andere Wellenlänge als die, welche normalerweise von den Atomen absorbiert und wieder abgestrahlt werden würde. Deshalb stört es das Bose-Einstein-Kondensat nicht so sehr wie resonantes Licht und macht es dadurch viel leichter, es zu messen. Nicht-resonantes Licht kann allerdings eine spontane Emission auslösen, die Wärme generiert und ein Bose-Einstein-Kondensat zerstören kann. Aus diesem Grund entwickelten die Forscher ein Filter und Feedback, um diese Erwärmungseffekt zu kontrollieren, was letztendlich in einer Kühlung des Bose-Einstein-Kondensats resultiert.
„Im Grunde genommen haben wir ein Fenster erschaffen, um in den kältesten Kühlschrank der Welt zu schauen. Indem wir durch dieses Fenster blicken, hoffen wir, dass Wissenschaftler vielleicht neue, bislang unzugängliche Phänomene von Bose-Einstein-Kondensaten sehen können und anfangen, ihre potenziellen Anwendungen zu verwirklichen“, sagte Hush.
Abhandlung: „Controlling spontaneous-emission noise in measurement-based feedback cooling of a Bose-Einstein condensate“ von M. R. Hush, S. S. Szigeti, A. R. R. Carvalho und J. J. Hope
Quelle: http://www.iop.org/news/13/nov/page_61992.html
(THK)
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