Erster Mikrochip für Materiewellen

Münchner Max-Planck-Forschern gelingt „Quantensprung“ bei Miniaturisierung von Atomlasern / Mikrochip eröffnet neue Forschungsmöglichkeiten und Anwendungen

Vor nicht einmal zwei Jahren wurde über den Bau der ersten Atomlaser berichtet (vgl. PRI C 1/2000: „Wenn sich Materie als Welle zeigt“). Diese erzeugen Atomstrahlen, deren Eigenschaften denen eines Lasers in vielem gleichen. Jetzt ist es Physikern am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität in München gelungen, das Herzstück eines Atomlasers auf einem Mikrochip zu integrieren (Nature, 4. Oktober 2001). Damit wird die Erzeugung Laser-ähnlicher Materiewellen extrem vereinfacht, eine Leistung, die mit dem Übergang von einzelnen Transistor zur integrierten Mikroelektronik vergleichbar ist. Von Geräten mit Atomlasern erhofft man revolutionär neue Anwendungen, von der Hochpräzisionsmessung bis zum Quantencomputer.

Atome verhalten sich wie Wellen, die sich im Raum fortpflanzen und – ähnlich wie Lichtwellen – miteinander wechselwirken – das ist eine der wichtigsten Aussagen der Quantenmechanik. Wegen ihrer extremen Kleinheit und ihrer schnellen und unregelmäßigen Bewegung entziehen sich die Materiewellen jedoch dem Blick selbst der leistungsfähigsten Mikroskope. Das änderte sich vor einigen Jahren mit den ersten Experimenten zur „Bose-Einstein-Kondensation“ drastisch: Mit Hilfe dieses lange vorausgesagten quantenmechanischen Effekts gelang es, Tausende von Atomen in den gleichen quantenmechanischen Zustand zu versetzen, und direkte Bilder dieser verstärkten atomaren Materiewelle aufzunehmen. Viele Wissenschaftler sind heute der Überzeugung, dass Bose-Einstein-Kondensate und Atomlaser zu revolutionär neuen Technologien führen werden – vergleichbar dem Laser, der so vielfältige Anwendungen wie Laser-Chirurgie, CD-Player oder Hochgeschwindigkeits-Telekommunikation erst ermöglicht hat. Wie die ersten Laser waren auch die ersten Atomlaser sehr komplizierte Apparaturen, die ganze Forschungslaboratorien ausfüllten. So verwendete man für den magnetischen Einschluss der Atome große, wassergekühlte Elektromagnete. Die Vakuumapparaturen mussten höchsten Ansprüchen genügen, um die Atome für lange Zeit von ihrer Umgebung zu isolieren und sie – für die Überführung in ein Bose-Einstein-Kondensat – fast bis auf den absoluten Nullpunkt abzukühlen.

Jetzt ist es Wolfgang Hänsel, Peter Hommelhoff, Theodor W. Hänsch und Jakob Reichel vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München gelungen, die Herstellung von Bose-Einstein-Kondensaten bedeutend zu vereinfachen – auf einem briefmarkengroßen Mikrochip. Mikroskopische Leiterbahnen auf dem Chip ersetzen die großen Elektromagnete. Die ultrakalte Atomwolke des Kondensates schwebt nur Bruchteile eines Millimeters über diesen Leiterbahnen. Sie läßt sich auf diese Weise viel feiner kontrollieren – und nebenbei verringert die neue Methode erheblich den Stromverbrauch. Durch stärkeren magnetischen Einschluss reduziert sich die Zeit für die Erzeugung des Bose-Einstein-Kondensats von etwa einer Minute auf nur wenige Sekunden. Das wiederum reduziert die Anforderungen an das Vakuumsystem.

Die miniaturisierte Technik für Bose-Einstein-Kondensate hat noch einen weiteren, möglicherweise bedeutenderen Vorteil: Mit ihrer Hilfe können – wie in der Mikroelektronik – auf einem einzelnen Chip mehrere atom-optische Elemente integriert werden. Bereits in ihrem ersten Experiment ist es den Münchener Forschern gelungen, das empfindliche Bose-Einstein-Kondensat in einer Art „magnetischem Förderband“ zu transportieren, das durch Wechselströme in zusätzlichen Leiterbahnen bewegt wird. Das verdeutlicht die Vielseitigkeit der neuen Technik und eröffnet neue Möglichkeiten, z.B. für ein integriertes Interferometer für Materiewellen – ein extrem sensibler Magnetsensor, für weitere Grundlagenexperimente zur Bose-Einstein-Kondensation oder für Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung. Bereits jetzt ist abzusehen, dass viele Forschungslaboratorien die neue Chiptechnologie übernehmen werden, um Bose-Einstein-Kondensate in eigenen Anwendungen einzusetzen.

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Dr. Jakob Reichel
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Ludwig-Maximilian-Universität München
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E-Mail: jakob.reichel@physik.uni-muenchen.de