Mit LEGO®-Steinen neue Formen von Materiebausteinen herstellen

„Ich habe gern mit LEGO-Steinen gespielt”, erinnerte sich Nobelpreisträger Wolfgang Ketterle bei seinem Vortrag am vierten Tag der 69. Lindauer Nobelpreisträgertagung. „In meiner Kindheit bestand LEGO einfach aus einer Kiste mit Lego-Steinen, und man musste schon seine ganze Vorstellungskraft aufbieten, um aus sehr wenigen Bausteinen sehr, sehr komplizierte Dinge zu bauen – und genau das ist auch in meinem Forschungsgebiet der Fall.”

Heute sind seine LEGO-Steine ultrakalte Atome (und Moleküle) und sein Modellbaukasten besteht aus einer Tischplatte, auf der extrem komplizierte Geräte stehen. Geblieben aber ist sein spielerischer Forschergeist. Und den wendet er an, um neue Materieformen nahe dem absoluten Nullpunkt zu finden.

Entscheidende Voraussetzung für den Bau neuer Materie ist, so Ketterle, nicht nur eine extrem niedrige Temperatur, sondern auch die Tatsache, dass jedes Atom, wie ein einzelner LEGO-Stein, isoliert werden muss. „Viele Menschen denken, dass das Gebiet ultrakalter Atome durch die ultrakalte Temperatur, die Nanokelvin-Temperatur, gekennzeichnet ist. Das stimmt natürlich auch”, erläuterte der Physiknobelpreisträger. „Aber … noch viel wichtiger ist, dass die Materialien, die wir aus ultrakalten Atomen herstellen, extrem stark verdünnt sind – ihre Dichte ist Milliarden Mal geringer als die von gewöhnlicher Materie. Wenn wir diese Materialien zusammenfügen, können wir uns auf die speziellen Phänomene dieser Materialien statt auf deren komplizierte Interaktionen konzentrieren.”

Während seines Vortrags hob Wolfgang Ketterle die Bedeutung eines spielerischen Umgangs mit der Physik hervor. Picture/Credit: Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

Ketterle wandte dieses Grundverständnis 1995 an, als er gemeinsam mit den Nobelpreisträgern Eric Cornell und Carl Wieman Bose-Einstein-Kondensate (BECs) – einen neuen Aggregatzustand bei ultrakalten Temperaturen – experimentell herstellte. Ketterle und seine Nobelpreiskollegen wiesen nach, dass verschiedene Atome bei weniger als einem Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt zu einem einzigen Quantenzustand verschmelzen und ein Quantengas bilden. Dabei lassen sich keine Einzelteilchen mehr unterscheiden, weil sie eine einzige makroskopische Materiewelle gebildet haben.

Aber da Ketterle niemand ist, der sich auf seinen Lorbeeren ausruht, hat er seine Suche nach neuen Formen von Materie fortgesetzt. Dazu richtet er zwischen fünf und zehn Laserstrahlen auf ultrakalte Atome und macht das System sukzessive komplexer. „Man beginnt mit einem einfachen System, das man sofort versteht, quasi als Trittstein. Aber dann möchte man nach und nach die Komplexität erhöhen und eine Situation schaffen, in der selbst die besten Supercomputer den Hamiltonian nicht lösen können”, verriet er. „Man will die Komplexität schrittweise aufbauen und hoffentlich in der Lage sein, jeden einzelnen Schritt zu überprüfen  … wie bei einem Computercode.”

Unlängst hat diese Technik Früchte getragen – als nämlich Ketterle und sein Team einen Superfestkörper beobachteten. Suprasolide Festkörper sind eine eigenartige Form von Materie, die gleichzeitig sowohl Eigenschaften fester als auch suprafluider Körper zeigen. In einem Festkörper ist jedes Atom lokalisiert und deshalb durch seine Position unterscheidbar, während in einem BEC oder einem suprafluiden Zustand alle Atome definitionsgemäß delokalisiert sein müssen und eine einzelne Materiewelle bilden.

Deshalb müssten sich die beiden eigentlich gegenseitig ausschließen. Ketterle fand einen Weg, die beiden zusammenzubringen: „Was wir herstellen konnten, war eine Form, in diesem Fall eine Dichtemodulation mit einer gestreiften Phase [in einem BEC]. Aber diese Streifen wurden nicht mit Laserstrahlen geprägt”, erläuterte er. „Und sie enthielten dauerhafte Symmetriebrechungseigenschaften, was das entscheidende Merkmal für einen Festkörper ist.”

„Was wir herstellten, war ein Superfestkörper, den ich Ihnen auf einer einzigen Präsentationsfolie erklären könnte”, sagte er. Aber das ist genau das, was er erreichen wollte. „Wenn die Leute später sagen sollten ‘Das ist trivial’, würde ich antworten ‘Danke, das werte ich durchaus als Kompliment’, …  denn wir wollen die einfachste Weise aufzeigen, ein Phänomen zu realisieren.”

Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

Noch jüngeren Datums – tatsächlich erst wenige Wochen alt und Teil einer noch unveröffentlichten Arbeit – ist ein weiterer entscheidender Durchbruch Ketterles. Sein Team entdeckte eine Möglichkeit, ultrakalte Moleküle herzustellen. Und ultrakalte Moleküle würden grundlegend neue Erkenntnisse über molekulare Wechselbeziehungen im Quantenregime liefern.

Allerdings haben sich Physiker über ein Jahrzehnt damit abgemüht, ein Ensemble auf nahe absolutem Nullpunkt zu kühlen, was Ketterle sehr frustriert hat: „Ich wünschte mir in meiner Forschung wirklich mehr LEGO-Teile.“

Obwohl zahlreiche Techniken ausprobiert wurden, sind bisher alle gescheitert. Die vielversprechendste Option ist die Kollisionskühlung. Dennoch ergaben alle vorherigen Versuche mit der Kollisionskühlung instabile Moleküle, die die Kollisionen nicht überlebten.

Um dieser Sackgasse zu entkommen, spielte das Team von Ketterle mit einem System, von dem niemand geglaubt hatte, dass es Kollisionskühlung zulassen würde: Natrium-Lithium-Moleküle. „Man sagte uns vorher, dass das niemals funktionieren würde. Aber ich konnte meine Gruppe davon überzeugen, dass wir es wenigstens ausprobieren sollten”, erinnerte er sich. Natrium-Lithium-Moleküle sind normalerweise reaktiv, aber durch Ausrichtung aller Spins im System, wurden sie nichtreaktiv. So konnte das Team die Temperatur um mehr als eine Größenordnung reduzieren.

Ketterle erläuterte, dass nach diesem Durchbruch erstmals ein Molekülsystem zur Verfügung steht, das kollisionsgekühlt werden kann. Und damit rückt die Realität ultrakalter Moleküle einen Riesenschritt näher. Vor allem heißt das, dass Ketterle möglicherweise schon bald ein komplett neuer Spielplatz zur Verfügung steht, auf dem Grundlagenphysik erforscht werden kann und vielleicht sogar weitere neue Materieformen zu finden sind.

About Ben Skuse

Benjamin Skuse is a professional freelance writer of all things science. In a previous life, he was an academic, earning a PhD in Applied Mathematics from the University of Edinburgh and MSc in Science Communication. Now based in the West Country, UK, he aims to craft understandable, absorbing and persuasive narratives for all audiences – no matter how complex the subject matter. His work has appeared in New Scientist, Sky & Telescope, BBC Sky at Night Magazine, Physics World and many more.

Website
View All Posts