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Drei Jahrzehnte ist es her, dass amerikanische und finnische Forscher eine sehr leistungsfähige Methode zur Abkühlung von Gasen durch "Laserbeschuss" ersannen. Erst jetzt konnten Physiker der Universität Bonn den Beweis erbringen, dass sie tatsächlich funktioniert. Ihre Studie "Laser Cooling by Collisional Redistribution of Radiation" erscheint am 3. September in der Zeitschrift Nature. Die schnelle Kühlmethode eröffnet unter anderem der Materieforschung neue Perspektiven. Möglicherweise lässt sie sich aber auch für die Konstruktion neuartiger Mini-Kühlschränke nutzen.
Die Forscher erprobten in ihrem Experiment ein völlig neues Kühlprinzip. Dazu nutzten sie die Eigenschaft, dass sich Atome durch Licht anregen lassen. Bei diesem Vorgang wechselt ein Elektron von seiner Umlaufbahn um den Atomkern auf eine weiter entfernte Bahn. Das gelingt aber nur, wenn das eingestrahlte Licht die passende Farbe hat: Rotes Licht ist energieärmer als blaues. Daher reicht der "Schubs", den ein roter Laser dem Elektron versetzt, eventuell nicht aus, um es auf die höhere Bahn zu heben.
Atome in einem Gas kollidieren regelmäßig miteinander - je höher der Gasdruck, desto häufiger. "Dabei 'verbiegen' sich die Elektronenbahnen der Teilchen", erklärt Professor Dr. Martin Weitz vom Institut für Angewandte Physik. "Zum Zeitpunkt des Crashs braucht man daher weniger Energie als normal, um das Elektron auf eine höhere Bahn zu katapultieren." Nach dem Zusammenstoß normalisieren sich die Elektronenbahnen wieder. Um dann auf der hohen Bahn zu bleiben, muss sich das Elektron die fehlende Energie "borgen". "Dazu nutzt es die Bewegungsenergie des Atoms, das dabei langsamer wird", erläutert Weitz' Mitarbeiter Ulrich Vogl. Geschwindigkeit und Temperatur sind zwei Seiten derselben Medaille: Je langsamer sich die Moleküle in einem Gas bewegen, desto kälter ist es. Durch den Laserbeschuss kühlt sich das Gas also ab.
Diese elegante Methode ist bereits 1978 von Forschern aus New York und Helsinki vorgeschlagen worden. Ihre Idee bezog sich allerdings auf Gase mit nicht besonders hohem Druck. Die so durchgeführten Experimente waren jedoch nicht erfolgreich. Die Bonner Forscher haben nun jedoch eine Mischung aus Argon-Gas mit Spuren von Rubidium auf 350 Grad Celsius erhitzt und auf einen Druck von 230 Bar gebracht. "Unter diesen Bedingungen konnten wir das Rubidium mit einem Laser anregen, dessen Energie dazu normalerweise nicht ausgereicht hätte", sagt Weitz. "Dabei kühlte sich die Gasmischung innerhalb von wenigen Sekunden um fast 70 Grad ab."
Mit ihrem Experiment wollten die Bonner Physiker zunächst einmal beweisen, dass die Laserkühlung unter Druck überhaupt klappt. "Das Ganze müsste aber auch bei Gasen unter Raumtemperatur funktionieren", ist sich Weitz sicher. "Eventuell lassen sich mit dieser neuen Methode sogar Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erreichen." Es gibt bereits Laserverfahren, mit denen sich Gase derart tief herunterkühlen lassen. Sie funktionieren aber nur bei extrem niedrigen Drücken - das in Bonn verwandte Gasgemisch war zehnmilliardenmal dichter. Die neue Methode erlaubt zudem viel höhere Kühlleistungen. Möglicherweise lassen sich daher auf ihrer Basis beispielsweise neuartige Mini-Kühlschränke konzipieren.
Hohe Kühlleistung
Die hohe Kühlleistung ist es auch, die das Verfahren für Materialforscher interessant macht: Sie erlaubt es, Gase in neue, bislang unerforschte Zustandsformen zu bringen. Durch die schnelle Abkühlung bleiben sie nämlich möglicherweise auch noch bei Temperaturen gasförmig, bei denen sie eigentlich bereits flüssig oder sogar fest wären. Ähnliche Effekte kennt man von Wasser, das man bis auf -42 Grad Celsius herunterkühlen kann, ohne dass es gefriert. Wenn die Abkühlung sehr schnell geschieht, sind sogar noch tiefere Temperaturen denkbar. "Unterkühlte" Flüssigkeiten und Gase zeigen interessante Eigenschaften; sie zu erzeugen, ist daher für viele Wissenschaftler von Interesse.
Kontakt:
Prof. Dr. Martin Weitz
Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn
Telefon: 0228/73-4837 oder -4836
E-Mail: Martin.Weitz@uni-bonn.de
Criteria of this press release:
Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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