Eine Wolke aus ultrakalten Atomen ist wie ein Motel mit einem Neonschild „keine Leere“.
Wenn ein Gast im Motel das Zimmer wechseln möchte, hat er Pech. Keine freien Zimmer bedeutet, dass es keine andere Wahl gibt, als zu bleiben. Ebenso haben in neuen Experimenten Atome, die unter beengten Bedingungen eingeschlossen sind, keine Möglichkeit, ihre Quantenzustände umzuschalten. Diese Einschränkung bedeutet, dass die Atome das Licht nicht so streuen, wie sie es normalerweise tun würden, berichten drei Forscherteams im November 19 Wissenschaft. Vor mehr als drei Jahrzehnten vorhergesagt, wurde dieser Effekt nun erstmals beobachtet.
Unter normalen Umständen wechselwirken Atome leicht mit Licht. Richten Sie einen Lichtstrahl auf eine Atomwolke und sie streuen einen Teil dieses Lichts in alle Richtungen. Diese Art der Lichtstreuung ist ein weit verbreitetes Phänomen: Sie findet in der Erdatmosphäre statt. „Wir sehen den Himmel aufgrund der Streustrahlung der Sonne blau“, sagt Yair Margalit, der Teil des Teams am MIT war, das eines der Experimente durchführte.
Aber die Quantenphysik tritt in ultrakalten, dichten Atomwolken in den Vordergrund. „Die Art und Weise, wie sie mit Licht interagieren oder Licht streuen, ist anders“, sagt die Physikerin Amita Deb von der University of Otago in Dunedin, Neuseeland, Mitautorin einer anderen der Studien.
Nach einer Regel namens Pauli-Ausschlussprinzip können Atome in den Experimenten nicht den gleichen Quantenzustand annehmen – sie können nämlich nicht den gleichen Impuls haben wie ein anderes Atom im Experiment (SN: 19.05.20). Wenn Atome in einer dichten Wolke zusammengepackt und auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, lagern sie sich in den Quantenzuständen mit der niedrigsten Energie ein. Diese Niedrigenergiezustände werden vollständig ausgefüllt, wie in einem Motel ohne offene Räume.
Wenn ein Atom Licht streut, erhält es einen Impuls, der seinen Quantenzustand ändert, während es Licht in eine andere Richtung aussendet. Aber wenn das Atom aufgrund der beengten Verhältnisse seinen Zustand nicht ändern kann, wird es das Licht nicht streuen. Die Atomwolke wird transparenter und lässt Licht durch, anstatt es zu streuen.
Um den Effekt zu beobachten, strahlten Margalit und Kollegen Licht durch eine Wolke aus Lithiumatomen und maßen die Menge des gestreuten Lichts. Dann senkte das Team die Temperatur, damit die Atome die niedrigsten Energiezustände ausfüllen und die Streuung des Lichts unterdrückt wird. Als die Temperatur sank, streuten die Atome 37 Prozent weniger Licht, was darauf hindeutet, dass viele Atome daran gehindert wurden, Licht zu streuen. (Einige Atome können immer noch Licht streuen, zum Beispiel wenn sie in unbesetzte Quantenzustände höherer Energie geraten.)
In einem anderen Experiment untersuchten der Physiker Christian Sanner vom Forschungsinstitut JILA in Boulder, Colorado, und Kollegen eine Wolke aus ultrakalten Strontiumatomen. Die Forscher haben gemessen, wie viel Licht in kleinen Winkeln gestreut wurde, bei denen die Atome weniger vom Licht angerempelt werden und daher noch seltener einen unbesetzten Quantenzustand finden können. Bei niedrigeren Temperaturen streuten die Atome halb so viel Licht wie bei höheren Temperaturen.
Das dritte Experiment, das von Deb und dem Physiker Niels Kjærgaard, ebenfalls von der University of Otago, durchgeführt wurde, maß einen ähnlichen Streuabfall in einer ultrakalten Kaliumatomwolke und eine entsprechende Zunahme der Lichtdurchlässigkeit durch die Wolke.
Da das Pauli-Ausschlussprinzip auch das Verhalten von Elektronen, Protonen und Neutronen bestimmt, ist es für die Struktur von Atomen und Materie, wie wir sie kennen, verantwortlich. Diese neuen Ergebnisse zeigen das weitreichende Prinzip in einem neuen Kontext, sagt Sanner. „Es ist faszinierend, weil es ein sehr grundlegendes Prinzip der Natur bei der Arbeit zeigt.“
Die Arbeit schlägt auch neue Wege zur Kontrolle von Licht und Atomen vor. „Man könnte sich viele interessante Anwendungen vorstellen“, sagt der theoretische Physiker Peter Zoller von der Universität Innsbruck in Österreich, der nicht an der Forschung beteiligt war. Insbesondere die Lichtstreuung steht in engem Zusammenhang mit einem als spontane Emission bezeichneten Prozess, bei dem ein Atom in einem hochenergetischen Zustand durch die Emission von Licht auf eine niedrigere Energie zerfällt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Zerfall blockiert werden könnte, was die Lebensdauer des energetischen Zustands verlängert. Eine solche Technik könnte nützlich sein, um Quanteninformationen über einen längeren Zeitraum zu speichern, als dies normalerweise möglich ist, beispielsweise in einem Quantencomputer.
Bisher seien diese Anwendungen noch theoretisch, sagt Zoller. “Wie realistisch sie sind, muss in Zukunft untersucht werden.”