Quantengas im Laserkäfig
Immanuel Bloch erhält den Körber-Preis für die Europäische Wissenschaft 2013.
Der mit 750.000 Euro dotierte Körber-Preis 2013 geht an Immanuel Bloch. Der deutsche Physiker erhält die Auszeichnung für seine Arbeiten, die ein neues Forschungsgebiet an der Schnittstelle von Quantenoptik, Quanteninformationsverarbeitung und Festkörperphysik eröffnet haben. Der Körber-Preis ehrt Wissenschaftler mit besonders innovativen Forschungsvorhaben.
Abb.: Preisträger des Körber-Preises 2013, Immanuel Bloch (Bild: Körber-Stiftung, F. Reinhold)
Der 40-jährige Preisträger widmet sich vor allem der Untersuchung ultrakalter Quantengase in künstlichen Kristallen aus Licht. Solche Systeme dienen unter anderem als stark vergrößerte Laborsimulationen von Festkörpern. Physiker interessieren sich unter anderem dafür, wie gut diese Strom und Wärme leiten und welche Vorgänge dabei eine Rolle spielen. Bloch ahmt diese Vorgänge in seinen technisch aufwendigen Experimenten nach. Den Kern bildet eine kleine Vakuumkammer. Darin erzeugen Laserstrahlen einen künstlichen Kristall, dessen Gitter aus Licht besteht. In diese Lichtkäfige sperren die Forscher ultrakalte Atome, die beispielsweise stark miteinander wechselwirkende Elektronen imitieren. Da die Abstände zwischen den Atomen im Lichtgitter 10.000 Mal größer sind als in realen Materialien, lassen sich mikroskopische physikalische Prozesse in einzigartiger Weise beobachten.
Ein weiterer Clou ist, dass im Kunstkristall anders als in der Natur die Parameter fast beliebig verändert werden können. Senken die Forscher beispielsweise die Intensität der Laserstrahlen, die die Atome in den optischen Käfigen festhalten, so lösen sich die Atome irgendwann aus ihrer Gefangenschaft. Aus einem simulierten Nichtleiter wird so ein Leiter. Strahlen die Laser aus einer anderen Richtung, können neue Kristallstrukturen erzeugt werden. Über ein von außen angelegtes Magnetfeld lassen sich zudem die Wechselwirkungen zwischen den Atomen abstimmen.
Mit Blochs Quantensimulator lassen sich unter anderem theoretische Modelle über den Aufbau von Festkörpern genau überprüfen. Außerdem ermöglicht die Apparatur Experimente unter extremen, bisher im Labor nicht erreichbaren Bedingungen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse können künftig helfen, Materialien mit maßgeschneiderten Quanteneigenschaften zu entwickeln etwa neue Supraleiter. In ferner Zukunft hofft Bloch seinen Simulator auch als Quantencomputer einsetzen zu können gegen den selbst superschnelle herkömmliche Computer keinerlei Chance hätten: „Für die Berechnung der Wechselwirkungen in einem System aus 300 Quantenteilchen würde ein herkömmlicher Computer mehr Speicherzellen benötigen, als es Protonen im sichtbaren Universum gibt”, erklärt der Preisträger.
Körber-Stiftung / CT
