Das Werkzeug der 1000 Möglichkeiten

Langsam öffnen sich die Türen zu einem der Laserlabore am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Über der Türe blinkt ein Schild mit der Aufschrift „Laser“. In dem klimatisierten Raum dahinter ist es laut. Geräusche von Vakuumpumpen sorgen für ein regelmäßiges Hintergrundgeräusch. Mitten im Raum steht eine große Stahlkammer, an der zahlreiche Messinstrumente angebracht sind. Man steht vor einer der schnellsten Kameras der Welt. Sie gehört zum Labor für Attosekundenphysik, in dem die Physiker um Prof. Ferenc Krausz die Bewegung von Elektronen fotografieren. Die Grundlage dafür ist Laserlicht. Ein Laser sendet wenige Femtosekunden lange Lichtpulse aus, die auf Edelgasatome treffen und Elektronen aus ihnen Elektronen herausreißen. Die Elektronen nehmen dabei zusätzliche Energie auf, werden aber dann wieder in Richtung Atomkern zurück geschleudert. Dabei geben die Teilchen Energie ab in Form eines Lichtblitzes, der Attosekunden lang dauert. Mit diesen ultrakurzen Lichtblitzen sind die Physiker in der Lage die Bewegungen von Elektronen in Atomen zu beobachten. Dazu regen sie mit einem Laserpuls Elektronen in Atomen an. Elektronen bewegen sich ebenfalls in Attosekunden. Mit Attosekunden-Lichtblitzen hat man damit seit 2001 die Möglichkeit Elektronen direkt zu sehen.

Laserlicht erschafft Kristalle

Ein paar Räume neben der Attosekundenforschung hat das Team um Prof. Immanuel Bloch seine Heimat. In den Laboren der Physiker stehen große Tische, auf denen Labyrinthe aus Spiegeln und Prismen aufgebaut sind. Kaum vorstellbar, dass man sich in diesem Durcheinander zurechtfindet. Doch die Quantenoptiker behalten den Überblick. Wie Perlen an einer Schnur reihen die Forscher auf den Lasertischen einzelne Atome aneinander – und das alles mit Hilfe von Licht. So kühlen die Quantenoptiker zum Beispiel Rubidium-Atome auf Temperaturen von wenigen Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius). Durch die Überlagerung mehrerer Laserstrahlen erschaffen die Forscher ein Gitter aus Licht, in dem sich die kalten Rubidium-Atome anordnen. Es entstehen so genannte optische Gitter in denen die Quantenmaterie gespeichert werden kann.

Am Ende haben die Forscher mit dem Laser die Rubidium-Atome so angeordnet, dass sie künstliche Kristalle erschaffen haben. Die Kristalle dienen als Modelle für Festkörper in ihrer idealsten Form. Die Gitterstruktur und der elektronische Quantenzustand der Atome im Lichtgitter kann dabei vollständig kontrolliert werden. So lässt sich z.B. die Bewegung einzelner magnetischer Störstellen mit Hilfe eines Quantengas-Mikroskops direkt beobachten und neue Information über deren Dynamik erhalten. Die „fehlerfreien“ Licht-Atomgitter sind ein erster Schritt, um das grundlegende Zusammenspiel vieler Teilchen nach den Gesetzen der Quantenmechanik zu verstehen und neue Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu entwickeln. Dazu gehören auch Supraleiter, die einen widerstandslosen Stromfluss auch über große Distanzen ermöglichen können.