Verstimmbare Quantenmaterie für Präzisionsmessungen

Wellenphänomene sind uns aus dem Alltag gut bekannt. Wasserwellen gehören sicherlich mit zu den auffälligsten und eindrucksvollsten Wellen. Licht breitet sich in Form einer Welle aus, inbesondere zeigt das Licht eines Lasers ausgeprägten Wellencharakter, welcher sich bei einem Interferenzexperiment in Interferenzstreifen manifestiert und vielerlei technische Anwendungen ermöglicht, beispielsweise zur genauen Vermessung von Distanzen mittels eines Interferometers. Die Physik lehrt uns nun, dass Teilchen, also beispielsweise Atome, auch Wellennatur aufzeigen können. Besonders deutlich wird diese Eigenschaft bei solchen Atomen, die sich in einem Bose-Einstein-Kondensat (BEC) zu einer makroskopischen, also direkt beobachtbaren Materiewelle, zusammengefunden haben. Diese Atome marschieren gleichsam im Takt, analog zu den Photonen, den Lichtteilchen eines Lasers, und es ist möglich, ein Interferometer zu bauen, in welchem nicht, wie bisher üblich, Lichtwellen, sondern Materiewellen zur Überlagerung kommen. Erst kürzlich wurde die Realisierung des ersten BECs mit dem Nobelpreis in Physik für das Jahr 2001 gewürdigt, und die ersten Materiewelleninterferometer auf Basis eines BECs sind demonstriert worden. Ein kleiner, aber wichtiger Unterschied besteht allerdings zwischen einem Lichtinterferometer und einem Materiewelleninterferometer: Im Gegensatz zu den Photonen können Atome direkt miteinander wechselwirken. Für Atome führt dieses zum Beispiel zu der Bildung von Molekülen; ein wichtiger Prozess, in einem Atominterferometer aber ein ungewünschter Nebeneffekt. In Innsbruck, am Institut für Experimentalphysik, ist uns in der Arbeitsgruppe von Prof. R. Grimm mit der erstmaligen Realisierung eines BECs aus Cäsium Atomen im Jahr 2002 ein Durchbruch gelungen. Cäsium Atome haben nämlich unter geeigneten Umständen die skurrile Eigenschaft, nicht miteinander wechselzuwirken. Genauer gesagt ist es möglich, die Stärke der Wechselwirkung einzustellen, insbesondere auf Null. Diese Eigenschaft konnten wir in ersten Experimenten demonstrieren. Cäsium Atome eignen sich also - in kondensierter Form - als hervorragende Kandidaten für ein Materiewelleninterferometer. Deshalb schlagen wir vor, ein solches Cäsium- Materiewelleninterferometer zu bauen. Was würde man damit messen können? Es stellt sich heraus, dass die Feinstrukturkonstante a, eine der fundamentalen Naturkonstanten, mit einem solchen Interferometer sehr genau gemessen werden könnte. Eine genauere Bestimmung von a und ein Vergleich der Ergebnisse mit Messungen beispielsweise aus der Hochenergiephysik sollten daher einen besseren Test der fundamentalen physikalischen Theorien ermöglichen. Weiters schlagen wir vor, ein Cäsium BEC mit seinen absonderlichen Wechselwirkungseigenschaften in ein Gitter aus Licht zu bringen, um dort sogenannte nicht-klassische Zustände der Materiewelle zu präparieren. Diese Zustände versprechen neue Möglichkeiten, insbesondere könnte die Präzision des Materiewelleninterferometers verbessert werden und damit neue Messbereiche erschließen. Andere vielfältige Anwendungen finden sich, wie in Innsbruck von Prof. P. Zoller und Mitarbeitern am Institut für Theoretische Physik vorgeschlagen, in der gezielten Realisierung von Molekülzuständen und der Implementierung von Quantengattern, den elementaren Bausteinen eines Quantencomputers.

Wellenphänomene sind uns aus dem Alltag gut bekannt. Wasserwellen gehören sicherlich mit zu den auffälligsten und eindrucksvollsten Wellen. Licht breitet sich in Form einer Welle aus, inbesondere zeigt das Licht eines Lasers ausgeprägten Wellencharakter, welcher sich bei einem Interferenzexperiment in Interferenzstreifen manifestiert und vielerlei technische Anwendungen ermöglicht, beispielsweise zur genauen Vermessung von Distanzen mittels eines Interferometers. Die Physik lehrt uns nun, dass Teilchen, also beispielsweise Atome, auch Wellennatur aufzeigen können. Besonders deutlich wird diese Eigenschaft bei solchen Atomen, die sich in einem Bose-Einstein-Kondensat (BEC) zu einer makroskopischen, also direkt beobachtbaren Materiewelle, zusammengefunden haben. Diese Atome marschieren gleichsam im Takt, analog zu den Photonen, den Lichtteilchen eines Lasers, und es ist möglich, ein Interferometer zu bauen, in welchem nicht, wie bisher üblich, Lichtwellen, sondern Materiewellen zur Überlagerung kommen. Erst kürzlich wurde die Realisierung des ersten BECs mit dem Nobelpreis in Physik für das Jahr 2001 gewürdigt, und die ersten Materiewelleninterferometer auf Basis eines BECs sind demonstriert worden. Ein kleiner, aber wichtiger Unterschied besteht allerdings zwischen einem Lichtinterferometer und einem Materiewelleninterferometer: Im Gegensatz zu den Photonen können Atome direkt miteinander wechselwirken. Für Atome führt dieses zum Beispiel zu der Bildung von Molekülen; ein wichtiger Prozess, in einem Atominterferometer aber ein ungewünschter Nebeneffekt. In Innsbruck, am Institut für Experimentalphysik, ist uns in der Arbeitsgruppe von Prof. R. Grimm mit der erstmaligen Realisierung eines BECs aus Cäsium Atomen im Jahr 2002 ein Durchbruch gelungen. Cäsium Atome haben nämlich unter geeigneten Umständen die skurrile Eigenschaft, nicht miteinander wechselzuwirken. Genauer gesagt ist es möglich, die Stärke der Wechselwirkung einzustellen, insbesondere auf Null. Diese Eigenschaft konnten wir in ersten Experimenten demonstrieren. Cäsium Atome eignen sich also - in kondensierter Form - als hervorragende Kandidaten für ein Materiewelleninterferometer. Deshalb schlagen wir vor, ein solches Cäsium- Materiewelleninterferometer zu bauen. Was würde man damit messen können? Es stellt sich heraus, dass die Feinstrukturkonstante a, eine der fundamentalen Naturkonstanten, mit einem solchen Interferometer sehr genau gemessen werden könnte. Eine genauere Bestimmung von a und ein Vergleich der Ergebnisse mit Messungen beispielsweise aus der Hochenergiephysik sollten daher einen besseren Test der fundamentalen physikalischen Theorien ermöglichen. Weiters schlagen wir vor, ein Cäsium BEC mit seinen absonderlichen Wechselwirkungseigenschaften in ein Gitter aus Licht zu bringen, um dort sogenannte nicht-klassische Zustände der Materiewelle zu präparieren. Diese Zustände versprechen neue Möglichkeiten, insbesondere könnte die Präzision des Materiewelleninterferometers verbessert werden und damit neue Messbereiche erschließen. Andere vielfältige Anwendungen finden sich, wie in Innsbruck von Prof. P. Zoller und Mitarbeitern am Institut für Theoretische Physik vorgeschlagen, in der gezielten Realisierung von Molekülzuständen und der Implementierung von Quantengattern, den elementaren Bausteinen eines Quantencomputers.