Thermometer für die Ultrakälte
"Wir zeigen Temperaturmessung mit Spin-Gradienten, eine neue allgemeine Methode, die Temperatur ultrakalter Atome in optischen Gittern zu messen", schreiben die Forscher um David M. Weld und Wolfgang Ketterle vom MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. Das Team platzierte ultrakalte Rubidium-Atome in ein so genanntes optisches Gitter und legte ein sich räumlich veränderndes Magnetfeld an. Die Atome in zwei quantenmechanischen Zuständen mit je unterschiedlichen magnetischen Momenten reagierten auf das Magnetfeld, indem sich ihre quantenmechanische Ausrichtung - der Spin - an den Feldlinien ausrichtete. Die durchschnittliche Magnetisierung der Atome ließ sich messen und erlaubte den Forschern, durch das Bestimmen anderer leicht messbarer Eigenschaften, die Temperatur abzuleiten. Im Vergleich mit anderen Messverfahren konnten sie für verschiedene Temperaturbereiche zeigen, dass die neue Methode gut übereinstimmende Werte liefert.
Die niedrigste gemessene Temperatur war ein Nano-Kelvin, also ein Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. In der Theorie kann die Methode aber noch hundertfach niedrigere Temperaturen messen - die Grenzen liegen in den technischen Möglichkeiten, die Regionen gleicher Magnetisierung abzubilden.
Erst bei derart niedrigen Temperaturen werden Phänomene wie das Bose-Einstein-Kondensat möglich, so genannte Superensembles, die einen tiefen Einblick in die Welt der Quantenphysik erlauben. Komplexe quantenmechanische Eigenschaften von Materialien werden sichtbar, das Verhalten von Elektronen etwa unterscheidet sich deutlich von dem bei Raumtemperatur. Zwar handelt es sich dabei um Grundlagenforschung, andererseits unterstützt ein besseres Verstehen der quantenmechanischen Eigenschaften konkret die Entwicklung so genannter Quantencomputer.