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Der Prozess der Bildung eines Bose-Einstein-Kondensats wird um das 100-fache beschleunigt

15.12.2017

Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology haben einen Weg gefunden, die Einschränkungen des Laserkühlprozesses zu umgehen, der es ermöglichte, den Prozess der Erzeugung einer Wolke aus Bose-Einstein-Kondensat um das 100-fache zu beschleunigen.

Das neue Verfahren verwendet ausschließlich Laserlicht zum Kühlen und Komprimieren der Bose-Einstein-Kondensatwolke, wodurch nicht nur der gesamte Prozess beschleunigt, sondern auch eine größere Anzahl der ursprünglichen Atome, aus denen sich die Kondensatwolke gebildet hat, erhalten bleiben.

Das neue Verfahren besteht aus drei Stufen. Die erste Stufe verwendet die traditionelle Laserkühlmethode, die die Wolke kühlt und komprimiert, bis die Photonen des Laserlichts selbst beginnen, sie aufzuheizen. Die nächste, zweite Stufe des Prozesses nutzt das sogenannte Raman-Kühlverfahren, bei dem zwei Laserlichtstrahlen die Atome auf eine noch niedrigere Temperatur kühlen. Die Parameter der Laserstrahlen sind so gewählt, dass die kinetische Energie der Atome in ihre eigene magnetische Energie umgewandelt wird. Dadurch werden die Atome langsamer und kühlen auf eine niedrigere Temperatur ab, während ihre Gesamtenergie auf dem gleichen Niveau bleibt.

Und in der dritten Stufe entzieht das Licht eines anderen Lasers, das auf die bereits kalte und komprimierte Gaswolke gerichtet ist, den langsamen Atomen Energie und kühlt sie noch tiefer ab.

Wenn ein Bose-Einstein-Kondensat auf traditionelle Weise gewonnen wird, entsteht aus einer Million Ausgangsatomen eine Wolke, in der sich etwa 10 Atome befinden. Mit dem neuen Verfahren lassen sich 70 Prozent der ursprünglichen Atomzahl in der Wolke einsparen. Mit dieser Methode konnten die Wissenschaftler Rubidiumatome in nur 200 Sekunden auf Temperaturen von 1 Mikrokelvin bis 0.1 Mikrokelvin abkühlen, was etwa 100-mal schneller ist als mit der herkömmlichen Methode. Die resultierende Wolke des Bose-Einstein-Kondensats enthielt 1 Atome, während die Anzahl der ursprünglichen Atome nur 400 betrug.

Die Forscher glauben, dass sie nur einen kleinen Teil des Potenzials der neuen Methode freisetzen konnten. In Zukunft wird durch eine feinere Abstimmung der Parameter des Laserlichts und anderer Parameter eine 1000-fache Beschleunigung des Prozesses zur Gewinnung eines Bose-Einstein-Kondensats im Vergleich zur herkömmlichen Methode möglich sein.

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Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und der University of California San Diego haben eine neue Klasse von Metamaterialien entwickelt, mechanische Metamaterialien, die als Reaktion auf ein externes Magnetfeld starr oder flexibel werden können.

Um ein neues Wunder-Metamaterial herzustellen, nutzten die Forscher die sogenannte 4D-Drucktechnologie. Diese Technologie hat ihren Namen von der Tatsache, dass Objekte, die durch dreidimensionalen Druck hergestellt wurden, ihre Form im Laufe der Zeit ändern können, was als vierte Dimension fungiert. In der Regel treten Formänderungen eines Objekts unter dem Einfluss eines externen Faktors auf - hohe Temperatur, Hydratation, Einwirkung eines magnetischen oder elektrischen Feldes.

Die neue Technologie basiert auf Materialien, die in der Lage sind, auf externe Felder zu reagieren (FRMM, field-responsive metamaterial). Im Gegensatz zu den Materialien, die in anderen 4D-Drucktechnologien verwendet werden, ändern FRMM-Materialien jedoch nicht ihre Form, die Änderungen wirken sich auf einige ihrer physikalischen Eigenschaften aus, in diesem Fall auf die Härte. Die Herstellung von FRMM-Materialien erwies sich als recht einfach – statt einer monolithischen Struktur des gedruckten Objekts wird eine röhrenförmige Hohlstruktur gebildet. Und diese Hohlräume sind in der nächsten Stufe mit einer speziellen magnetischen Flüssigkeit gefüllt.

Ein Ferrofluid besteht aus winzigen Partikeln eines magnetischen Materials, die gleichmäßig in einem Volumen eines nichtmagnetischen Lösungsmittels dispergiert sind. Wenn eine solche Flüssigkeit einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird, werden die Partikel in ihrem Volumen geordnet, richten sich entlang der Magnetfeldlinien aus und das Material verwandelt sich in einen praktisch festen Monolithen. In Abwesenheit eines Magnetfelds verhält sich das Ferrofluid wie eine gewöhnliche viskose Flüssigkeit, die frei in jede Richtung fließen kann.

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