Ludwig-Maximilians-Universität München
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Quantenphysik

In der Ordnung des Lichts

München, 17.04.2014

Mit Batterien von Lasern und aufwendiger Technik erzeugt Immanuel Bloch Modellsysteme aus künstlichen Kristallen, an denen er rätselhafte Quantenphänomene simulieren und untersuchen kann.

„Schon wenn wir sprechen, kann der Laser in seiner Frequenz wegdriften“, sagt Immanuel Bloch (Mitte). Foto: Jan Greune
„Schon wenn wir sprechen, kann der Laser in seiner Frequenz wegdriften“, sagt Immanuel Bloch (Mitte). Foto: Jan Greune

Wenn Immanuel Bloch die schwarzen Vorhänge über dem großen bis zur Decke verhüllten Tisch aufzieht, gibt er damit den Blick in eine andere Welt frei. Eine unübersichtliche Landschaft aus Hunderten Linsen und Spiegeln, aus Schaltern, Glasfaserkabeln und anderen Bauteilen tut sich auf und auf den allerersten Blick hat dieses Gewirr die Anmutung der Miniaturwelt einer überladenen Modelleisenbahn. Nur geht hier kein Zug auf Reisen, sondern Licht: Die Strahlen aus insgesamt zwölf Lasern laufen in verwirrendem Zickzack über den mehrere Quadratmeter großen Tisch, eine Schar von Rechnern steuert die Anlage in Blochs Physiklaboren an der Schellingstraße.

Mitten hinein in der Welt der Quanten mit ihren mitunter bizarren Gesetzen führt die Reise, Vehikel ist dabei das Licht. Mit seiner Hilfe dringt Bloch in die Tiefe ihrer Geheimnisse vor, mit allerlei Tricks und präziser Technik ahmt er ihre Eigenheiten in Modellsystemen nach. Mit Laserstrahlen baut er Käfige aus Licht, in die er sogenannte Quantengase einsperrt, Gase, die bei besonders tiefen Temperaturen beispielsweise eben jenen Quantengesetzen gehorchen. Er erzeugt Kristallgitter aus Laserstrahlen, kühlt einzelne Atome aus dem Quantengas im Laserwind, bis sie Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt erreichen, kälter als im Universum. Bloch kann sogar mit Laserlicht im Quantengas rühren und es in Rotation bringen, so wie man es zuhause mit dem Löffel in der Kaffeetasse macht.

Wie mit dem Löffel in der Kaffeetasse
Es ist eine eigentümliche Welt, die sich da auftut. Physiker formulieren so etwas in der Regel nüchterner. „Wir studieren mit bislang unerreichter Genauigkeit das Verhalten ultrakalter Atome eines Quantengases bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt“, sagt Quantenphysiker Bloch. Solche Gase haben um zehn Größenordnungen kleinere Dichten als ein Festkörper. Dass man aber in einem Gas Phänomene studieren kann, die man sonst nur aus einem Festkörper kennt, in dem es starke Wechselwirkungen zwischen den Teilchen gibt und die Elektronen ganz dicht aneinander gepresst sind, ist durchaus verblüffend. „Für uns sind die Quantengase wunderschöne Modellsysteme, mit denen wir Präzisionsmessungen machen können – in der Festkörperphysik“, sagt Bloch. „Oft sind Festkörper so komplex, dass man das mikroskopische Modell dafür gar nicht vorhersagen kann.“

Aufgrund ihrer Komplexität war es lange Zeit völlig undenkbar, diese verborgene Welt zu studieren. Erst der US-amerikanische Physiker Richard Feynman formulierte dies als eine Vision – ohne sich zunächst um die Umsetzung zu kümmern. 1981 sprach er auf einer Konferenz am Massachusetts Institute of Technology darüber, dass normale Computer prinzipiell nicht in der Lage seien, komplexe Phänomene wie Magnetismus auf atomarer Ebene zu berechnen. An der Lösung der quantenmechanischen Gleichungen würden selbst künftige Superrechner scheitern. Er schlug völlig neuartige Maschinen vor und nannte sie „Quantensimulatoren“. Feynman habe erkannt, erklärt Bloch, „dass wir mit einem kontrollierbaren Modell ein künstliches System realisieren können, das sich genauso verhält wie das, das wir studieren wollen“, erklärt Bloch.

Dirigent der atomaren Welt
1981 war das eine kühne Vision. „Heute erst können wir das im Labor realisieren“, sagt Bloch. Wobei es keine leichte Übung ist, denn Atome eines Gases lassen sich nur schwer bändigen. „Das ist wie bei einem Orchester, in dem alle Musiker durcheinander spielen, jeder einen anderen Ton, und völliges Chaos herrscht.“ Doch die niedrigen Temperaturen zähmen die Atome, „jedes Atom spielt dann gewissermaßen einen einzigen Ton, den wir vorgeben können, einen wohlkontrollierten Ton.“ So wird der Physiker zum Dirigenten der atomaren Welt. „Wir wollen kontrollierte Bedingungen zwischen den Atomen herstellen, um das Wechselspiel zwischen ihnen zu studieren“, sagt Bloch. Die große Frage ist, wie sich aus solchen Beobachtungen auf atomarer Ebene ein makroskopisches Materialverhalten wie Leitfähigkeit oder Magnetismus erklären lässt.

Bloch hat seine aufwändigen Experimenten an zwei Standorten aufgebaut, denn er ist nicht nur Ordinarius für Experimentalphysik an der LMU, sondern gleichzeitig auch Direktor am Max-Planck-Institut (MPI) für Quantenoptik in Garching bei München. „Mich treibt an, Sachen zu sehen, die noch nie jemand zuvor gesehen hat. Das ist der schönste Moment im Labor: Wenn man etwas macht, was niemand zuvor gemacht hat." Und solche Momente hat der 40-jährige Wissenschaftler schon einige erlebt, er gilt bereits als ein Pionier der Quantensimulation. Bloch ist bereits vielfach ausgezeichnet, unter anderem mit dem wichtigen Leibnizpreis der Deutschen Forschungsgemeinschaft und zuletzt mit dem Körber-Preis, sein Team hat weltweit einen Namen. Seine Arbeiten über Festkörper-Modellsysteme haben in der internationalen Forscherszene für Aufsehen gesorgt, zahlreiche Veröffentlichungen in hoch renommierten Fachmagazinen wie Science und Nature zeugen davon. Hubert Filser