Erstes Bose-Einstein-Kondensat mit Strontiumatomen

Wahl des bisher kaum beachteten Isotops ⁸⁴Sr erwies sich als Weg zum Durchbruch.

Eine Österreichische und eine amerikanische Forschungsgruppe haben nahezu zeitgleich zum ersten Mal ein Bose-Einstein-Kondensat aus dem Erdalkalielement Strontium erzeugt. Dabei erwies sich die Wahl des bisher kaum beachteten Isotops ⁸⁴Sr als Weg zum Durchbruch. Es gilt nun als idealer Kandidat für Experimente mit atomaren Zwei-Elektronen-Systemen. Nur zwei Wochen nach den Forschern um Florian Schreck von der Universität Innsbruck gelang es der amerikanischen Forschungsgruppe um Natali Martinez de Escobarn von der Rice Universität in Houston ebenfalls ein Bose-Einstein-Kondensat aus Strontiumatomen zu erzeugen.

Schon einmal haben die Östereichischen Quantenphysiker ein Wettrennen unter Wissenschaftlern für sich entschieden. So erzeugten sie 2002 das weltweit erste Bose-Einstein-Kondensat aus Cäsiumatomen. Nun gelang es einem Team um den Nachwuchsforscher Schreck mit Stontiumatomen. „Wir haben dabei auf das richtige Pferd gesetzt und zuletzt Tag und Nacht durchgearbeitet, um das Bose-Einstein-Kondensat zu realisieren“, erzählt Schreck. Schon seit Jahren versuchten Physiker aus aller Welt, Strontium zu kondensieren. Sie bedienten sich dabei allerdings jener beiden Isotope des Strontiums, die in der Natur besonders häufig vorkommen (⁸⁶Sr, ⁸⁸Sr). „Vor einem Jahr hatte ich die Idee, es mit dem sehr seltenen Isotop ⁸⁴Sr zu probieren“, schildert Schreck den Moment des Durchbruchs. Dass er auf dem richtigen Weg ist, wusste der Physiker, als auf seinen Vorschlag hin ein Theoretiker die Streueigenschaften des Isotops berechnete. Diese erwiesen sich als ideal für die Herstellung eines Bose-Einstein-Kondensats.

Unter Vakuum fingen die Experimentalphysiker die Strontiumatome mit Lasern in einer magnetischen Falle ein und kühlten sie stark ab. Nach der Überführung in eine optische Falle konnten sie die Teilchen dann aufgrund ihrer guten Streueigenschaften – die Atome stoßen zwar aneinander, bilden aber keine Moleküle – mit Hilfe von Verdampfungskühlung bis nahe an den absoluten Nullpunkt (-273,15 ºC) abkühlen. Dabei entstand ein Bose-Einstein-Kondensat aus rund 150 000 Atomen. In diesem Zustand verhalten sich die Atome völlig synchron und bilden einen gänzlich neuartigen, kollektiven Zustand.

Strontium zählt zu den atomaren Zwei-Elektronen-Systemen, das sind Elemente, deren Atome über zwei Valenzelektronen verfügen. Während die meisten Atome mit einem Valenzelektron längst erfolgreich kondensiert wurden (2001 wurde dafür der Physik-Nobelpreis verliehen), sind Bose-Einstein-Kondensate von Zwei-Elektronen-Systemen derzeit ein wichtiges Thema in der Physik. Die ersten beiden Zwei-Elektronen-Systeme wurden 2003 (Ytterbium) und im Juni 2009 (Kalzium) erstmals kondensiert. Aus Strontiumatomen können allerdings sehr viel größere Kondensate erzeugt werden. Mit Bose-Einstein-Kondensaten lassen sich die Grundlagen der Quantenmechanik untersuchen, sie können als Modell für Festkörper dienen oder in der Quanteninformation eingesetzt werden. Zwei-Elektronen-Systeme wie Strontium sind besonders für Präzisionsmessungen von Interesse, weil sie über sehr schmale optische Übergänge verfügen und damit noch genauere Untersuchungen erlauben.

Für Florian Schreck und sein Team geht die Arbeit bereits weiter. Neben den schon erwähnten drei bosonischen Isotopen des Strontiums gibt es auch das fermionische Isotop ⁸⁷Sr. Dieses möchte Florian Schreck nun nützen, um erstmals ein ultrakaltes Fermigas aus Strontiumatomen herzustellen.

Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI), Innsbruck

AL