Erster Atomlaser auf einem Mikrochip

08.10.2001

Vor nicht einmal zwei Jahren wurde über den Bau der ersten Atomlaser berichtet. Diese erzeugen aus einzelnen Atomen bestehende Strahlen, deren Eigenschaften denen eines Lasers in vielem gleichen. Jetzt ist es einem Forscherteam um Prof. Theodor W. Hänsch am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität in München gelungen, einen Atomlaser auf einem Mikrochip zu integrieren (Nature, 4. Oktober 2001). Damit wird die Erzeugung Laser-ähnlicher Materiewellen extrem vereinfacht, eine Leistung, die mit dem Übergang vom einzelnen Transistor zur integrierten Mikroelektronik vergleichbar ist. Von Geräten mit Atomlasern erhofft man revolutionär neue Anwendungen, die von Hochpräzisionsmessungen bis zum Quantencomputer reichen.

Nach der Quantenmechanik verhalten sich Atome wie Wellen, die sich im Raum fortpflanzen und - ähnlich wie Lichtwellen - miteinander wechselwirken. Wegen ihrer extremen Kleinheit und ihrer schnellen und unregelmäßigen Bewegung entziehen sich die Materiewellen dem Blick selbst der leistungsfähigsten Mikroskope. Das änderte sich vor einigen Jahren mit dem Bau der ersten "Atomlaser" drastisch: Mit Hilfe eines besonderen Materiezustandes, der so genannten "Bose-Einstein-Kondensation", 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 Atomlaser zu revolutionär neuen Technologien führen werden - vergleichbar dem optischen Laser, der so vielfältige Anwendungen wie Stahlschweißen, 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 höchste Ansprüche erfüllen, um die Atome 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. Seine mikroskopischen Leiterbahnen ersetzen die großen Elektromagnete und verringern so erheblich den Stromverbrauch. Durch stärkeren magnetischen Einschluss verringert sich die Zeit für die Erzeugung des Bose-Einstein-Kondensats von etwa einer Minute auf nur wenige Sekunden. Das wiederum erlaubt weniger strenge Anforderungen an das Vakuumsystem.

Auch wenn der Atomlaser damit noch lange kein Taschenformat erreicht hat, so ist doch abzusehen, dass jetzt viele Forschungslaboratorien die neue Chiptechnologie übernehmen werden, um Bose-Einstein-Kondensate für eigene Anwendungen einzusetzen.

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