William Phillips: Magnetfelder simulieren mit Lasern

Die meisten Nobelpreisträger in Lindau behandeln in ihren Vorträgen eher allgemeine und meist auch schon bekannte Dinge, oft ihre nobel-gekrönten Arbeiten oder das eine oder andere große Menschheitsproblem. Wirklich aktuelle Forschung steht nur selten auf dem Programm, zumal Forscher aus so unterschiedlichen Disziplinen im Publikum sitzen, dass ein Fachvortrag über ein spezielles Thema die Mehrheit der Anwesenden schlicht überfordert.

William Phillips hat es trotzdem getan. Der Physik-Laureat von 1997 hat den Preis für die Laserkühlung von Atomgasen erhalten, und er macht bis heute mit Lasern und Atomen rum. Inzwischen hat er sich allerdings einem anderem Thema zugewandt, von dem er in seinem Vortrag auch erzählt hat, nämlich der Simulation elektrischer Felder in Atomgasen mit, richtig, Lasern.

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William Phillips. Bild: NIST

Das Grundproblem ist schnell umrissen: In Festkörpern passieren viele seltsame Dinge mit Elektronen, die man nicht direkt beobachten kann, weil sie eben im Material verborgen sind. Berechnen kann man sie noch viel weniger, zumindest mit heutigen Methoden. Glücklicherweise hat sich gezeigt, dass kalte Gase aus Rubidiumatomen kondensierte Zustände bilden, von denen der bekannteste das Bose-Einstein-Kondensat ist, und die sich sehr ähnlich verhalten wie zum Beispiel Elektronen in Festkörpern. Und, so sagt Phillips, wenn man die Vorgänge nicht im Computer simulieren kann, dann ist es oft am besten, die Natur die Simulation durchführen zu lassen und das Ergebnis einfach zu messen, zum Beispiel eben an Atomgasen.

Das funktioniert auch ganz wunderbar, es gibt nur einen kleinen Haken. Die interessantesten Phänomene ergeben sich, wenn elektrische und magnetische Felder auf Elektronen im Festkörper einwirken. Dummerweise kann man an dem Ersatz-Festkörper aus Gas kein Feld anlegen um den gleichen Effekt zu erzielen, denn die betreffenden Teilchen sind Atome – und damit elektrisch neutral.

Neutrale Teilchen sind neutral – das ist ein Problem

Aber auch elektromagnetische Kräfte sind einfach nur Kräfte – man muss nur eine Ersatzkraft finden, die das Gleiche leistet. Als naheliegendes Beispiel nennt Phillips die Corioliskraft: Wenn das Experiment rotiert ist die Ablenkung durch die Scheinkraft exakt analog der eines elektrischen Feldes. Ein rotierender Versuchsaufbau allerdings würde Messungen nahezu unmöglich machen, und das ganze Labor mit einigen hundert Umdrehungen pro Minute in Drehung zu versetzen ist nicht einmal Diplomanden zuzumuten, ganz zu schweigen von den Geldgebern.

Das alternative Verfahren von Phillips ist etwas komplizierter. Es basiert auf dem Dressed-Atoms-Modell, das eine Reihe kurioser Effekte bei der Wechselwirkung von Licht und Teilchen quantenmechanisch beschreibt, die mit klassischen Methoden nicht greifbar sind. Man kann durch die Wechselwirkung zweier Laser, die auf die Differenzen zwischen zwei Anregungszuständen eingestellt sind, die Dispersionskurve eines Atomgases verschieben, was ebenfalls genau äquivalent zum Effekt eines elektrischen Feldes ist. Wenn ihr den letzten Satz nicht verstanden habt, seid ihr in der guten Gesellschaft von geschätzt 95 Prozent des Vortragspublikums.

Es läuft darauf hinaus, dass man ein Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidiumatomen mit zwei Lasern bestrahlt und durch einen Resonanzeffekt eine Kraft auf das Kondensat wirkt, die dem Effekt eines Magnetfeldes auf eine Wolke geladener Teilchen entspricht. Zum Beispiel bilden sich in einer Atomwolke unter Laserbeschuss Wirbel, die dem Verhalten von Elektronen in einem Supraleiter entsprechen.

Ich bin etwas zwiespältig, was den Vortrag von Phillips angeht. Mir gefällt es immer gut, wenn Nobelpreisträger auch mal auf hohem Niveau erzählen, was sie heute so den ganzen Tag machen. Andererseits wird aus diesem sehr technischen Vortrag die Mehrheit der Zuhörer kaum mehr mitgenommen haben als was in diesem Artikel steht. Und das ist etwas schade. Ich hätte mir gewünscht, Phillips hätte einen Mittelweg gefunden.

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