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Kerne und Kondensate

Simon Stellmer forscht am Atominstitut der TU Wien an Thorium-Kernen. Für seine Dissertation, in der er zum ersten Mal ein Bose-Einstein-Kondensat aus Strontium erzeugte, bekam er nun einen Preis.

Dr. Simon Stellmer

Dr. Simon Stellmer

Dr. Simon Stellmer

Dr. Simon Stellmer

Experimenteller Aufbau

Experimenteller Aufbau

Experimenteller Aufbau

Experimenteller Aufbau

Ein Bose-Einstein-Kondenstat (BEC)

Ein Bose-Einstein-Kondenstat (BEC)

Ein Bose-Einstein-Kondenstat (BEC)

Ein Bose-Einstein-Kondenstat (BEC)

In Innsbruck gelang es Simon Stellmer, erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat aus Strontium-Atomen herzustellen. Nun ist er Fellow am Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) und arbeitet im Team von Prof. Thorsten Schumm an der TU Wien. Seine Dissertation wurde kürzlich mit dem Dissertationspreis des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) ausgezeichnet.

Neuer Materiezustand bei extrem niedrigen Temperaturen
Im Jahr 2001 wurde der Physik-Nobelpreis für die Erzeugung der ersten Bose-Einstein-Kondensate vergeben, seither hat sich dieses Forschungsgebiet rasant entwickelt. Zunächst verwendet man Atome mit nur einem Außenelektron – etwa Natrium oder Rubidium. Simon Stellmer setzte sich allerdings ein anderes Ziel: Ihm gelang es, das erste Bose-Einstein-Kondensat mit Strontium-Atomen herzustellen. Strontium hat zwei Außenelektronen, es ist komplizierter zu handhaben, bietet dafür aber auch spannende, neue Möglichkeiten.

Normalerweise befinden sich die Elektronen eines Atoms im Grundzustand – also in dem Zustand mit der geringstmöglichen Energie. Hebt man ein Elektron in einen etwas höheren Energiezustand an, fällt es meist in winzigen Sekundenbruchteilen wieder in den Grundzustand zurück. Bei Strontium ist das allerdings nicht so: „Eine Konsequenz des zweiten Außenelektrons in Strontium ist das Auftreten langlebiger angeregter Zustände“, erklärt Simon Stellmer. Dadurch kann das Atom in den Zuständen viele Sekunden lang verharren – für quantentechnologische Verhältnisse eine Ewigkeit.

Dies eröffnet vollkommen neue Möglichkeiten, etwa im Bereich sogenannter Quantensimulationen: In Quantensimulationen nutzt man ein Quantensystem um ein anderes Quantensystem zu verstehen. Normalerweise simuliert man physikalische Systeme am Computer, doch manchmal reichen selbst die Möglichkeiten moderner Großrechner nicht aus, um quantenphysikalische Vorgänge vollständig zu beschreiben. In solchen Fällen kann man ein gut bekanntes, einfach zu handhabendes Quantensystem dazu verwenden, ein anderes Quantensystem direkt zu simulieren.
Stellmers Dissertation wurde vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation nun mit einem Dissertationspreis augezeichnet. Zudem würdigte die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) sie als eine der herausragendsten Arbeiten des vergangegen Jahres.

Präzisionsmessungen mit Thorium

Heute arbeitet Simon Stellmer am Atominstitut der TU Wien. Sein Lieblingselement hat er gewechselt – statt Strontium untersucht er nun Thorium. Auch dieses Element verspricht ganz besonders interessante Anwendungsmöglichkeiten, allerdings stehen hier nicht die Eigenschaften der Elektronen im Zentrum, sondern die Energiezustände des Atomkerns. „Vieles deutet darauf hin, dass der Thoriumkern zwei ungewöhnlich eng beieinanderliegende Energiezustände hat“, sagt Simon Stellmer. Er arbeitet nun daran, die Energiedifferenz zwischen diesen beiden Zuständen möglichst präzise zu bestimmen. So könnte man etwa eine „Kernuhr“ bauen, die noch viel genauer tickt als unsere heutigen Atomuhren.