Im Quantenkühlschrank wird auch anders gekühlt

Wien (APA) - Wiener Quantenphysiker haben einen neuen Kühlungsmechanismus identifiziert: Erzeugt man nämlich ein sogenanntes eindimensionales Gas dürfte sich dessen Temperatur eigentlich nicht mehr weiter absenken lassen - trotzdem passiert das. Verantwortlich dafür ist eine spezielle quantenphysikalische Art der Kühlung, über die die Forscher nun im Fachblatt „Physical Review Letters“ berichten.

In einer Flüssigkeit oder einem Gas tummeln sich Teilchen mit unterschiedlich viel Energie. Je heißer ein Gas ist, desto mehr Teilchen mit hoher Energie schwirren darin herum. Um ein solches System abzukühlen, entfernen Wissenschafter mit elektromagnetischen Feldern immer wieder gezielt die schnellsten Partikel mit den höchsten Energien. Die verbliebenen mischen sich dann, und durch Wechselwirkungen stellt sich ein niedrigeres Energieniveau ein - die Temperatur sinkt. Dieser innere Temperaturausgleich wird als „Thermalisierung“ bezeichnet.

„Das ist, was man bei Experimenten mit kalten Atomen standardmäßig anwendet“, erklärte Bernhard Rauer vom Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien im Gespräch mit der APA. Die Forscher um Rauer und Jörg Schmiedmayer experimentieren aber mit eindimensionalen Gasen, die sich aufgrund ihrer speziellen räumlichen Struktur anders verhalten.

Da die Teilchen in diesem Versuchsaufbau in einer derart engen elektromagnetischen Falle gefangen sind, können sie sich nur in eine Richtung bewegen und Energien nur untereinander austauschen, es kommt also nicht zur Thermalisierung. „Hier stellt sich die Frage, ob man ab einem gewissen Punkt überhaupt noch weiter abkühlen kann“, sagte Rauer. Es zeigte sich aber nicht nur, dass sich das durch Entfernung von Teilchen bewerkstelligen lässt, die Temperatur sank sogar noch tiefer als mit dem einfachen Bild langsamer und schnellerer Teilchen erklären werden kann.

Bei ihren Versuchen sind die Wiener Physiker jetzt „auf einen neuen Mechanismus gestoßen, der nicht auf der Thermalisierung beruht“, wie Rauer erklärte. „In dem extrem kalten Zustand, in dem sich die Atome befinden, kann man ihr Verhalten eigentlich besser verstehen, wenn man sich nicht auf die Bewegung der einzelnen Teilchen konzentriert, sondern kollektive Wellen - ähnlich Wasserwellen - betrachtet, die sich auf mehrere Teilchen verteilen.“ Die Energie des Systems ist in diesen Quantenwellen gespeichert, die immer kleiner werden, je mehr Teilchen aus dem Gas entfernt werden. Beim Hinauswerfen dieser Teilchen kühlt das System also auf quantenphysikalische Weise ab.

Rauer: „Für uns ist das ein gutes Werkzeug, um noch kälter zu werden. Denn je kälter man diese Systeme bekommt, umso stärker treten ihre quantenmechanischen Eigenschaften heraus“.

(S E R V I C E - Die Publikation im Internet: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.030402)

(Bilderdownload unter: https://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2016/quantumcool ing)