Erstes Bose-Einstein-Kondensat mit Strontiumatomen

Physiker haben weltweit zum ersten Mal ein Bose-Einstein-Kondensat aus dem Erdalkalielement Strontium erzeugt. Dabei erwies sich die Wahl des bisher kaum beachteten Isotops 84Sr als Weg zum Durchbruch. Es gilt nun als idealer Kandidat für Experimente mit atomaren Zwei-Elektronen-Systemen. Mit Bose-Einstein-Kondensaten lassen sich die Grundlagen der Quantenmechanik untersuchen, sie können als Modell für Festkörper dienen oder in der Quanteninformation eingesetzt werden

Strontium zählt zu den atomaren Zwei-Elektronen-Systemen, das sind Elemente, deren Atome über zwei Valenzelektronen verfügen. Während die meisten Atome mit einem Valenzelektron längst erfolgreich kondensiert wurden – 2001 wurde dafür der Physik-Nobelpreis verliehen – , sind Bose-Einstein-Kondensate von Zwei-Elektronen-Systemen derzeit ein heißes Thema in der Physik. Die ersten beiden Zwei-Elektronen-Systeme waren 2003 Ytterbium und im Juni 2009 Kalzium. Aus Strontiumatomen können allerdings sehr viel größere Kondensate erzeugt werden.

Mit seltenem Isotop zum Erfolg

Nun gelang es einem Team um den Nachwuchsforscher Florian Schreck vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften das weltweit erste Bose-Einstein-Kondensat aus Stontiumatomen zu erzeugen. Die Experimentalphysiker haben damit einen internationalen Wettlauf knapp für sich entschieden. Und dies, obwohl sie mit ihren Experimenten sehr viel später gestartet sind, als die konkurrierenden Forschungsgruppen in den USA.

„Wir haben dabei auf das richtige Pferd gesetzt und zuletzt Tag und Nacht durchgearbeitet, um das Bose-Einstein-Kondensat zu realisieren“, erzählt Schreck. Schon seit Jahren versuchten Physiker aus aller Welt, Strontium zu kondensieren. Sie bedienten sich dabei allerdings jener beiden Isotope des Strontiums, die in der Natur besonders häufig vorkommen (86Sr, 88Sr). „Vor einem Jahr hatte ich die Idee, es mit dem sehr seltenen Isotop 84Sr zu probieren“, schildert Schreck den Moment des Durchbruchs. Dass er auf dem richtigen Weg ist, wusste der Physiker, als auf seinen Vorschlag hin ein Theoretiker die Streueigenschaften des Isotops berechnete. Diese erwiesen sich als ideal für die Herstellung eines Bose-Einstein-Kondensats.

150.000 Atome im „Gleichschritt“

Unter Vakuum fingen die Experimentalphysiker die Strontiumatome mit Lasern in einer magnetischen Falle ein und kühlten sie stark ab. Nach der Überführung in eine optische Falle konnten sie die Teilchen dann aufgrund ihrer guten Streueigenschaften – die Atome stoßen zwar aneinander, bilden aber keine Moleküle – mit Hilfe von Verdampfungskühlung bis nahe an den absoluten Nullpunkt (- 273,15 ºC) abkühlen.

Dabei entstand ein Bose-Einstein-Kondensat aus rund 150.000 Atomen. In diesem Zustand verhalten sich die Atome völlig synchron und bilden einen gänzlich neuartigen, kollektiven Zustand. Was für einige andere chemische Elemente bereits gezeigt wurde, gelang dem Team vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) nun auch mit Strontium.

Geeignet für Präzisisionsmessungen

Nur zwei Wochen nach den Innsbrucker Physikern gelang es nun auch einer amerikanischen Forschungsgruppe ebenfalls ein Bose-Einstein-Kondensat aus Strontiumatomen zu erzeugen. Beide Forschungsarbeiten wurden jetzt gemeinsam in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Mit Bose-Einstein-Kondensaten lassen sich die Grundlagen der Quantenmechanik untersuchen, sie können als Modell für Festkörper dienen oder in der Quanteninformation eingesetzt werden. Zwei-Elektronen-Systeme wie Strontium sind besonders für Präzisionsmessungen von Interesse, weil sie über sehr schmale optische Übergänge verfügen und damit noch genauere Untersuchungen erlauben.

(Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI), 11.11.2009 – NPO)