Die Elefanten-Bremse

Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in der tiefsten afrikanischen Steppe. Weit und breit nichts als karge Landschaft. Plötzlich taucht eine Staubwolke am Horizont auf. Sie nähert sich mit hoher Geschwindigkeit. Bald erkennen Sie, dass ein wütender Elefant auf Sie zugerast kommt. Eine Deckung gibt es weit und breit nicht, und alles, was Ihnen spontan zur Verfügung steht, ist ein großer Sack voller Erbsen. Voller Verzweifelung beginnen Sie, den heranstürmenden Dickhäuter mit den Erbsen zu bewerfen. Nachdem Sie den gesamten Sack möglichst kräftig auf das Tier abgefeuert haben, bleibt der Elefant endlich regungslos vor Ihnen stehen. Was in dieser Größenordnung unglaublich klingt, passiert in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig im Nanobereich bei der so genannten Laserkühlung von Atomen täglich. Für viele Präzisionsmessungen ist eine möglichst geringe Geschwindigkeit der verwendeten Atom nötig, die bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt erreicht wird. Um sie auf diese Temperatur zu bekommen, werden sie mit Hilfe von Lasern in hoher Frequenz mit Photonen beschossen. Ein minimaler Impuls wirft das sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende Atom ein winziges Stück zurück. Beschießt man es immer wieder entgegen der "Fahrtrichtung", kommt es irgendwann zum Stillstand. Genau genommen wird das Atom also gar nicht gekühlt, sondern gebremst. Dieser Prozess ist einem Elefanten-Bewerfen (sagen wir mit rund 50000 Erbsen und am besten mit einer Zwille verschossen) im Miniaturbereich gar nicht so unähnlich - nur bekommt der Laser keinen lahmen Arm. Die abgekühlten Atome sind nun einsatzbereit für exakte Messungen, beispielsweise für die Beobachtung von Schwingungen innerhalb einer Atomuhr. Was Sie allerdings mit dem gebremsten Elefanten anfangen sollen, kann ich Ihnen auch nicht genau sagen. Aber vermutlich ist er zu groß, um ihn in eine Uhr zu setzen. (she)

Ultracool - Atome, still gestanden!

Atome bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit im Raum vorwärts - je heißer, desto schneller die Atombewegung. Für möglichst präzise Messungen ist diese Eigenbewegung allerdings sehr hinderlich, um sie beispielsweise in einer Atomuhr einsetzen zu können, muss diese so gering wie möglich sein. Wie aber bringe ich zappelige Atome dazu, stillzustehen? An diesem Problem arbeitet die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Neue Methoden sollen die Atome für Experimente noch stärker als bisher bremsen. Mit Hilfe von extrem schmalbandigen Lasern werden Atome abgekühlt und gespeichert. In der PTB gelang es mit Hilfe der so genannten Zwei-Stufen-Laserkühlung, eine Wolke von Calcium-Atomen auf wenige Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt zu kühlen. Die Atome erreichten so eine mittlere Geschwindigkeit von 5 cm/s. Für die Kühlung werden die Atome aus allen Richtungen mit Photonen beschossen, so können sie aus jeder Bewegungsrichtung gebremst werden. Trifft ein Photon auf eines der Atome, entsteht ein minimaler Rückstoß. Die Photonen haben eine bevorzugte Richtung bei der Einstrahlung, und da der Rückstoß immer in dieselbe Richtung zielt, entsteht bei ausreichendem Beschuss eine Kraft, die der Atombewegung entgegenwirkt und sie langsam abbremst. Ein typisches Calcium-Atom wird pro Photon um etwa zwei Zentimeter in der Sekunde abgebremst, ungefähr 25000 Photonen sind also für den Vorgang notwendig, da sich die Atome mit rund 500 Meter in der Sekunde bewegen. Abschließend werden die gekühlten Atome noch mit Hilfe von Magnetfeldern gefangen und können für möglichst präzise Messungen verwendet werden, beispielsweise für den Einsatz in Atomuhren, da dort die Schwingungen der Atome präzise bestimmbar sein müssen, um eine Sekunde ablesen zu können. Mit Lasern beschossene Atome werden auf diese Weise plötzlich "ultracool". Ansonsten sind solch kalte Temperaturen allerdings nicht zu empfehlen. (she)