Die dreizehnte Art

Ultrakalte Quantengase haben außergewöhnliche Eigenschaften und ermöglichen das Studium von grundlegenden Fragen der Physik. Mit Erbium haben Forscher um Francesca Ferlaino vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck für ihr Experiment ein sehr exotisches Element ausgewählt, das dank seiner besonderen Eigenschaften neue und faszinierende Möglichkeiten zur Untersuchung fundamentaler Probleme der Quantenphysik erlaubt. „Erbium ist vergleichsweise schwer und besitzt einen stark magnetischen Charakter. Diese Eigenschaften führen zu einem extremen dipolaren Verhalten der Quantensysteme“, sagt Ferlaino.

Sie hat mit ihrem Team einen überraschend einfachen Weg gefunden, dieses komplexe Element mit Hilfe von Laserkühlung und Verdampfungskühlung extrem stark abzukühlen. Bei Temperaturen unmittelbar über dem absoluten Nullpunkt verwandelt sich die Wolke aus rund 70.000 Atomen in ein magnetisches Bose-Einstein-Kondensat. Die Teilchen verlieren dabei ihre individuellen Eigenschaften und schwingen alle im gleichen Takt. „Experimente mit Erbium ermöglichen uns neue Einblicke in die komplexen Wechselwirkungseigenschaften stark korrelierter Systeme und bieten vor allem auch neue Ansatzpunkte für die Untersuchung des Quantenmagnetismus mit kalten Atomen“, sagt die junge Wissenschaftlerin. Sie wurde 2009 mit dem österreichischen START-Preis ausgezeichnet und erhielt 2010 einen ERC Starting Grant des Europäischen Forschungsrats. „Wir haben mit dem Bose-Einstein-Kondensat nur knapp ein Jahr nach dem Start dieses Projektes eines der wichtigsten Ziele bereits erreicht“, zeigt sich Francesca Ferlaino stolz.

Cäsium, Strontium und Erbium sind die drei chemischen Elemente, die Innsbrucks Physik in den vergangenen Jahre erfolgreich kondensiert hat. Ein wichtiger Durchbruch gelang Rudolf Grimm und seinem Team 2002 mit der ersten Kondensation von Cäsium, die in den folgenden Jahren zahlreiche wissenschaftliche Früchte trug. START-Preisträger Florian Schreck aus der Gruppe um Rudolf Grimm konnte 2009 das Element Strontium erstmals kondensieren. Und nun gelang dieses Kunststück auch Francesca Ferlaino mit dem Element Erbium. Weltweit wurden bisher insgesamt 13 Elemente kondensiert. Zehn Kondensate entstanden dabei in jeweils anderen Forschungsgruppen auf der ganzen Welt. 2001 erhielten Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wieman für die Erzeugung der weltweit ersten Bose-Einstein-Kondensate den Physik-Nobelpreis. Das nun in Innsbruck erstmals realisierte Kondensat von Erbium eignet sich hervorragend, um in Zukunft zum Beispiel geophysikalische Phänomene wie Wirbelwinde oder die Dynamik von komplexen Proteinen in der Biophysik in Detail zu untersuchen.

U. Innsbruck / PH