Gekoppelte Atome

Der Hanbury-Brown-Twiss-Effekt hat ein Analogon in der Quantenwelt der Atome.

Paris - Lichtteilchen reisen bevorzugt im Kollektiv durchs All. Auch wenn sie von unterschiedlichen Orten von einem Stern ihre Reise antreten, überlagern sich die Amplituden der Wellenpakete und schwingen im Gleichtakt. So erzeugen sie in Detektoren auf der Erde ein zeitgleiches Signal. Diese Entdeckung von den Astronomen Robert Hanbury Brown und Richard Twiss im Jahre 1956 stieß anfangs auf viele Widerstände, wurde aber später bestätigt und ging als Hanbury-Brown-Twiss-Effekt (HBT-Effekt) in die Annalen der Physik ein. Dieses „Verklumpen“ (Bunching) von Photonen verschwindet jedoch bei kohärentem Laserlicht, bei dem alle Wellen in der gleichen Phase schwingen. Französische Physiker fanden nun in einem Experiment mit ultrakalten Atomen ein völlig analoges Verhalten.

„Wir beobachteten bei Atomwolken ein Verklumpen“, schreiben Christoph Westbrook und Kollegen vom Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique in Paris. „Doch bei einer kohärenten Probe, wie sie in einem Bose-Einstein-Kondensat vorliegt, verschwand diese Korrelation.“ Ganz analog zu dem nicht existenten Hanbury-Brown-Twiss-Effekt (HBT) in einem Laserstrahl. Mit diesem Ergebnis konnte das Team um Westbrook belegen, dass die Regeln für den HBT-Effekt nach ihrem Beweis für Photonen auch für Atome mit ganzzahligem Drehimpuls (Bosonen) gelten.

Abb.: In einer Wolke aus ultrakalten Heliumatomen konnte das Korrelieren der Atome gemessen werden (siehe Text). (Quelle: Science, CNRS)

Für ihr Experiment nutzten die Forscher Wolken aus Heliumatomen, die sie bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt in einer Magnetfalle festhielten. Mit einem Flugzeitmassenspektrometer mit einer Länge von knapp einem halben Meter analysierten sie, ob und wie stark im Gravitationsfeld fallende Atome miteinander korrelierten und zeitgleiche Ankunftssignale auf einem Vielkanal-Detektor erzeugten (Abb.). Nach dem Abschalten des Magnetfeldes der Atomfalle flogen die Heliumatome mit einer Geschwindigkeit von drei Metern pro Sekunde auf den Detektor. Die Messkurve zeigte dabei, dass sich die Atome gemäß dem HBT-Effekt zusammenlagerten und bevorzugt simultan trotz unterschiedlicher Startpunkte ihr Ziel erreichten.

Um weitere 0,5 Mikrokelvin abgekühlt bildeten die Heliumatome allerdings ein Bose-Einstein-Kondensat. In diesem Supermolekül befinden sich alle Heliumatome im gleichen quantenmechanischen Grundzustand und sind nicht mehr voneinander unterscheidbar. Unter diesen Versuchsbedingungen wiederholten Westbrook und Kollegen die Flugzeitmessung. Eindrucksvoll zeigte sich, dass keine Korrelation der Ankunftszeiten wie bei den etwas wärmeren Heliumatomen zu beobachten war. Analog zu der kohärenten Lichtaussendung eines Lasers konnten sie keinen Hanbury-Brown-Twiss-Effekt nachweisen.

Zum einen belegt dieses Experiment die Gültigkeit des HBT-Effekts sogar für bosonische Atome. Zum anderen heben Westbrook und Kollegen heraus, dass mit relativ einfachen Flugzeitmessungen sogar einzelne Teilchen eines Quantengases zuverlässig gemessen werden können. Nun schlagen sie vor, auch andere Mechanismen, die zu einer Paarung von Atomen führen, mit dieser Methode zu untersuchen. Für lohnenswert halten sie auch eine Wiederholung ihres Experiments mit Helium-3-Atomen (Fermionen), bei denen der HBT-Effekt, der gemäß der Theorie nur bei ganzzahligem Drehimpuls auftritt, überhaupt nicht zu beobachten sein sollte.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• M. Schellenkens et al, Hanbury Brown Twiss Effect for Ultracold Quantum Gases, Science.
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1118024
• Laboratoire Charles Fabry, Paris:
  http://www.institutoptique.fr/affiche.jsp?folder=labo_presentation
• Hanbury-Brown-Twiss-Effekt:
  http://www.stud.uni-goettingen.de/~mwilken/Vortrag2/node10.html
• Bose-Einstein-Kondensat:
  http://www.mpq.mpg.de/atomlaser/html/bose-einstein-kondensat.html
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Weitere Literatur:

• R. Hanbury Brown, R. Q. Twiss, Nature 177, 27(1956).
• F. T. Arecchi, E. Gatti, A. Sona, Phys. Lett. 20, 27 (1966).
• R. J. Glauber, Quantum Optics and Electronics ,C. DeWitt, A. Blandin, C. Cohen-Tannoudji, eds., p. 63 (Gordon and Breach, New York, 1965).