Wenn selbst die Atome vor Kälte zittern

Der Physiker Markus Oberthaler stößt in neue Dimensionen
der Thermometrie vor –
Messungen milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt möglich

Von Johannes Schnurr

Nicht weniger wichtig als das physikalische Formelwissen sind für Markus Oberthaler vom Heidelberger Kirchhoff-Institut kreatives Denken, selbständiges Arbeiten und Freude am Experiment. – Elisabeth Kierig vom „Womenpower-Team“ versucht Atome am „Tunneln“ zu hindern. Dazu erzeugt sie im Labor ein mikroskopisches „Erdbeben“. Im Bereich der Quantenphysik müssen sich auch Wissenschaftler einer metaphorischen Sprache bedienen, um ihre Forschung zu erklären. Fotos: Schnurr

Wenn es um die Beschreibung quantenphysikalischer Phänomene geht, sieht sich der Laie vor ein Problem gestellt. Die Welt der winzigsten Teilchen, der Quanten, scheint nach völlig anderen Prinzipien zu funktionieren als die uns umgebende Welt – die Makrowelt. Es gibt dort nichts, woran die Vorstellungskraft anknüpfen könnte. Die Selbstverständlichkeiten, die klaren Kausalitäten des Alltags sind auf subatomarer Ebene außer Kraft gesetzt. Wo im Großen die Ordnung herrscht, scheint im Kleinen das Chaos zu regieren. Doch eines darf uns dabei trösten: Auch der Wissenschaftler sieht sich hier vor gravierende sprachliche Hindernisse gestellt. Sucht er seine Forschungsgegenstände, seine Hypothesen, Theorien, Entdeckungen zu erklären, muss auch er auf Analogien und einen ganzen Strauß reichlich bunter Metaphern zurückgreifen.

Regiert im Kleinen das Chaos?

Nicht anders ergeht es Markus Oberthaler, der seit 2003 am Kirchhoff-Institut einen Lehrstuhl für Physik innehat, wenn er sein neues hochpräzises Verfahren zur Temperaturmessung knapp über dem absoluten Nullpunkt erklärt. Kürzlich gelang es ihm und seinem Team, eine thermometrische Methode zu entwickeln, die in bislang unzugängliche Bereiche der Tiefentemperaturmessung vorstößt. Dank dieses Verfahrens konnten in Heidelberg erstmals Temperaturen im Bereich von 10 Nanokelvin, gemessen werden, von Temperaturen die 0,00000001 (zehn milliardstel) Grad über dem absoluten Nullpunkt (also 0 Kelvin oder – 273,15 Grad Celsius) liegen. Selbst im Weltraum herrscht im Vergleich zu diesen extremen Werten noch eine „erhöhte Raumtemperatur“ von 2,7 Kelvin vor.

„Zunächst verdampfen wir Rubidium-Gas“, erklärt Oberthaler das Prozedere, „welches wir dann mit Hilfe von Lasern sehr stark abkühlen.“ Interessanterweise, das darf in diesem Zusammenhang nicht vergessen werden, war es der von 1854 bis 1875 in Heidelberg lehrende Namensgeber des Instituts, Gustav Robert Kirchhoff, der das Rubidium-Gas entdeckte und überdies durch die Postulierung des Kirchoff‘schen Strahlungsgesetzes und der Definition des schwarzen Körpers Grundsteine für die Quantentheorie des 20. Jahrhunderts legte.

Innerhalb dieses extrem kalten Gases, die Atome werden von rund 300 Grad Celsius direkt nach dem Verdampfen in den Nanokelvin-Bereich nahe dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt, verändern sich deren Materieeigenschaften gravierend. Es entsteht ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat (BEC), ein extremer Aggregatzustand, bei dem sich die überwiegende Menge der Teilchen in ein und demselbem quantenmechanischen Zustand befinden und sie in einer Art von Gleichtakt schwingen. Im Zustand des Bose-Einstein-Kondensats zeigen sie sich als ein einziges makroskopisches Quantenobjekt, dessen Verhalten unter einem „einfachen“ Mikroskop beobachtbar wird. Die zu untersuchenden Teilchen werden mit Licht gefangen, denn so erst können sie in ihrem spezifischen Verhalten näher untersucht werden.

Durch Barrieren „tunneln“

„Wir kühlen etwa 20 bis 30 Atome auf die extreme Temperatur von 10 Nanokelvin ab. Um die Temperatur messen zu können, ohne das Gas aufzuheizen, muss das Thermometer noch kleiner sein. Dadurch, dass wir aber rund 1000 Atome im Zustand des Bose-Einstein-Kondensats dazu bringen, sich wie ein einziges Objekt zu verhalten, haben wir ein geeignetes Messinstrument“, so Oberthaler.

Festgestellt wird die Temperatur dieser extrem kalten Atome durch eine Registrierung des Tunneleffekts. Bei ihm durchdringen Elementarteilchen spontan Hindernisse, ein Ereignis, das in der Welt der klassischen Physik unvorstellbar ist. „Bildlich und persönlich gesprochen: Ich wandere gerne. Aber als Makroobjekt muss ich in meiner Tiroler Heimat immer über die Berge klettern“, erklärt Oberthaler. „Das müssen unsere Rubidiumatome, die wir beobachten, nicht. Sie können durch kleine Barrieren, wenn man so mag: winzige Berge, die wir ihnen in den Weg legen, einfach hindurch tunneln.“ Mittels dieses Tunneleffekts lassen sich gezielt zwei Bose-Einstein-Kondensate koppeln. Dank der neu entwickelten Methode war es nun möglich, aus der Zitterbewegung der relativen Phase zwischen zwei Bose-Einstein-Kondensaten Rückschlüsse auf die Temperatur der beobachteten Atome zu ziehen. „Dieses Verfahren ermöglicht uns erstmals Messwerte, die mit den bisherigen Methoden nicht zu erzielen waren, und wir können künftig systematisch in einem Bereich kaum vorstellbar tiefer Temperaturen forschen“, stellt Oberthaler fest.

Neben Heidelberg befassen sich in den USA, am „MIT“ in Boston und am „JILA“ in Boulder, aber auch in Frankreich an der „École normale supérieure“ in Paris und im österreichischen Innsbruck Wissenschaftler mit vergleichbaren Fragestellungen. Oberthalers physikalische Experimente interessieren auch andere deutsche Universitäten, erst im März lehnte der 37-Jährige einen Ruf nach Münster ab. „Im Neuenheimer Feld bietet man mir alles, was ich für eine effektive Forschungsarbeit brauche. Hier finde ich geeignete Räume, die High-Tech-Ausrüstung für die Labore und vor allem anderen: ein motiviertes Team an Nachwuchswissenschaftlern.“

Das „Quantum engineering“

Denn ohne sie geht es nicht, sie sind und bleiben die Sherpas der Forschung. Mindestens zehn Stunden Einsatz pro Tag sind Standard, dafür versucht Oberthaler ein möglichst gutes Arbeitsklima zu bieten. „Wissenschaft braucht keinen ernsten, gravitätischen Habitus, einen solchen empfinde ich sogar eher als kontraproduktiv. Ich möchte vor allem selbständige und kreative Diplomanden und Doktoranden. Ich schaue mir nicht die Noten, sondern die Person an. Wer es liebt, Probleme zu lösen, sich engagiert und im Team bewährt, der kann mitmachen“. Derzeit leitet er zwei Arbeitsgruppen, intern das „Rubidium-“ und das „Womenpower-Team“ genannt. Ihnen gehören neun Nachwuchsforscherinnen und -forscher vom Diplomanden bis zum Postdoc an. Finanziert werden die aktuellen Projekte durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), die Landesstiftung sowie die Universität Heidelberg.

Welche Anwendungen sich aus den aktuellen Forschungsergebnissen dereinst für die Praxis ergeben mögen, darauf weiß Oberthaler keine eindeutige Antwort. „Dies wäre zum gegenwärtigen Zeitpunkt doch noch arge Spekulation“, lautet seine Einschätzung. „Gleichwohl betreiben wir Grundlagenforschung, deren Fernwirkung signifikant sein wird. Als in den 1960er Jahren der Laser erfunden wurde, dachte auch noch niemand an CD-Spieler, Lichtskalpelle oder das Einlesen eines Warencodes an der Aldikasse.“

Es scheint sich jedoch eine vergleichbare Entwicklung anzubahnen, die in Richtung des so genannten „Quantum engineering“ geht, nämlich dass sich aus der Grundlagenforschung heraus sukzessive kommerzielle Produkte entwickeln. Als Beispiele sind dabei gegenwärtig Verfahren der Quantenkryptographie, bei der Schlüsseldaten auf Quantenebene zwischen Kommunikationspartnern getauscht werden, sowie auf Quantentechnologie basierende Computer zu nennen. „Vielleicht ist es ja tatsächlich so, wie es der Physiker Anton Zeilinger formulierte: Dass unsere Kinder sich bereits mit Quantenspielzeug die Zeit vertreiben“, resümiert Oberthaler.

Informationen: www.kip.uni-heidelberg.de/matterwaveoptics