Atome im Bündel

Atomares Quantengas zeigt wie das Licht den Bunching-Effekt

Französische Physiker haben in einem Experiment Analogien zwischen Licht und stark gekühlten Heliumatomen gefunden. Die Teilchen zeigten ebenso wie Photonen den Hanbury-Brown-Twiss-Effekt, in dem sich die Atome zu größeren Wölkchen zusammenklumpten.

1956 stießen die Astronomen Robert Hanbury Brown und Richard Twiss auf einen seltsamen Effekt: Lichtteilchen, die von verschiedenen Stellen desselben Sterns stammen, erzeugen in Detektoren auf der Erde ein annähernd zeitgleiches Signal. Dies deutete darauf hin, dass die Photonen stets als Bündel durchs All reisen. Dieses Phänomen ging als Hanbury-Brown-Twiss-Effekt in die wissenschaftliche Geschichte ein. Was hier verwundern mag, erklärt die Quantenphysik: Lichtteilchen verfügen über einen ganzzahligen Spin, werden daher zu den so genannten Bosonen gezählt. Daher suchen sie sich gegenseitig, bilden gern kleine Einheiten – bekannt als „Bunching-Effekt“.

Arbeitsgruppe von Christoph Westbrook (Bild: Laboratoire Charles Fabry de lŽInstitut dŽOptique)

Hingegen verschwindet bei kohärentem Laserlicht dieses Phänomen des Verklumpens. Auch hier liefert die moderne Physik eine Antwort: In diesem Fall besetzen alle Photonen denselben Quantenzustand und die Intensitätsfluktuationen sind unterdrückt. Dadurch verteilen sich die Teilchen gleichmäßiger im Raum und marschieren auf diese Weise durch die Versuchsapparatur, zum Detektor.

Physiker um Christoph Westbrook vom Laboratoire Charles Fabry de lŽInstitut dŽOptique in Paris haben den Hanbury-Brown-Twiss-Effekt nun bei einem Quantengas nachgewiesen, das aus Helium-4-Atomen bestand. Diese Teilchen – wie die Photonen ebenfalls Bosonen - hielten sie bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt in einem Magnetfeld gefangen. Beschrieben haben die Forscher ihre Resultate im Magazin Science Express (DOI: 10.1126/science.1118024, September 2005). Mittels eines Flugzeitspektrometers, etwa einen halben Meter lang, überprüften die Forscher, wie sich die im Gravitationsfeld der Erde frei fallenden Teilchen zueinander verhielten.

Experimenteller Aufbau, der hauptsächlich aus dem Flugzeitspektrometer besteht (Bild: Christoph Westbrook)

Dazu konstruierten die Wissenschaftler einen speziellen Detektor, der die Ankunft einzelner Atome des ultrakalten Heliums – mit einem Teilchenabstand von nur 200 Mikrometer – auf einer Zeitskala im Bereich von Nanosekunden erfassen kann. Eine entscheidende Rolle spielte dabei die Art der Signale, die die Teilchen auf diesem Vielkanal-Detektor erzeugten. So war es möglich, die entscheidende Frage zu beantworten, ob die Atome tatsächlich in Bündeln auf den Schirm trafen.

Die Atome verklumpen

Nachdem die Physiker das Magnetfeld ausschalteten, fielen die Atome etwa 50 Zentimeter nach unten, bevor sie mit einer Geschwindigkeit von drei Metern pro Sekunden auf den Detektor trafen. Die Messkurve zeigte, dass die Heliumteilchen bevorzugt gleichzeitig ihr Ziel erreichten, trotz unterschiedlicher Startpunkte. „Wir beobachten bei Atomwolken ein Verklumpen“, freut sich Christoph Westbrook. Somit konnte er den Effekt, der sonst beim Licht auftritt, auch für die Heliumatome nachweisen.

Innenansicht des Labors (Bild: Christoph Westbrook)

Jedoch änderten die Teilchen bei weiterer Abkühlung ihr Verhalten deutlich: Bei sehr tiefer Temperatur erwies sich, dass die gemessenen Teilchenabstände gleichmäßig verteilt waren. Die Heliumatome formten hier ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat. Darunter verstehen Physiker ein Supermolekül, bei dem sich alle Einzelatome im selben Quantenzustand befinden. In dieser Situation verschwand der Hanbury-Brown-Twiss-Effekt, wie im Falle eines kohärenten Lasers.

„Unsere Technik ist ein geeignetes Werkzeug, Bose-Einstein-Kondensate und andere Quantengassysteme zu studieren, speziell im Bereich einer Phasenumwandlung“, erklärt Westbrook. Als neu lässt sich vor allem werten, dass hier zum ersten Mal beim Bunching-Effekt neben einer zeitlichen auch eine räumliche Auflösung gemessen werden konnte.

Der Flugzeitspektrometer im Labor (Bild: Christoph Westbrook)

Zukünftig wollen die Wissenschaftler mit Hilfe der gleichen Methode bestimmte Mechanismen untersuchen, die eine Paarung von Teilchen und ganzen Atomen bewirken. Beispielsweise eignen sich die so genannten Biphotonen für dieses Experiment. Hierbei handelt es sich um ein Doppelteilchen aus zwei miteinander verschränkten Lichtquanten. Erzeugt wird es durch ein Verfahren namens Abwärtskonversion, in dem ein Kristall mit nicht linearen optischen Eigenschaften ein ultraviolettes Photon in zwei infrarote umwandelt. Beide Teilchen verfügen über dieselbe Energie, werden aber senkrecht zueinander polarisiert.

Ferner planen die Forscher, dieses Experiment mit Helium-3-Atomen zu wiederholen. Der Clou: Diese Spezies stellen Fermionen dar, die durch einen halbzahligen Spin charakterisiert sind. Daher dürfte der Hanbury-Brown-Twiss-Effekt dort in dieser Weise nicht vorkommen. Vielmehr erwarten Physiker hier den Effekt des „Anti-Bunching“. Was bedeutet, dass sich die Teilchen eher abstoßen und annähernd im Gänsemarsch bewegen, eines nach dem anderen.

Der Flugzeitmassenspektrometer im Labor (Bild: Christoph Westbrook)

(Joachim Eiding)