EXPEKTRUM. Vol. 3, Nr.1, Institut für Experimentalphysik, Technische Universität Graz. Herausgegeben von

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1 EXPEKTRUM Vol. 3, Nr.1, 2000 Institut für Experimentalphysik, Technische Universität Graz Herausgegeben von H. Jäger, T. Neger, G.Pottlacher, L.Windholz Inhalt: Aus dem Institut Personalnachrichten: Berufungskommission Nachfolge Prof. Jäger Das Projekt Wärmestrahlung am Institut für Experimentalphysik Dynamik laserinduzierter transienter Gitter in der Gasphase Beilagen: Atomlaser T.Esslinger, I.Bloch und T.W.Hänsch, Phys. Blätter 56 (2), 47 (2000) Über Möglichkeiten zur Erzeugung kohärenter Materiewellen. Die Suche nach den Quellen der kosmischen Strahlung H.Blümer und K.-H.Kampert; Phys. Blätter 56 (3), 39 (2000) Über Luftschauerexperimente und Teilchen höchster Energie. Geeignet als Ergänzung zur Vorlesung "Experimentalphysik 4" Berufungskommission Nachfolge Prof. Jäger Ende letzten Jahres wurden im Rahmen des Berufungsverfahrens neun Vorträge gehalten. Am 4. Februar 2000 hat die Berufungskommission eine Reihungsliste erstellt, über die dem Fakultätskollegium in der nächsten Sitzung von Herrn Dekan Vogler berichtet werden wird. Anschließend sollen vom Rektor der Universität Berufungsverhandlungen geführt werden. Arbeitsgruppen: AMQ - Atom- und Molekülspektroskopie und Quantenoptik (L.Windholz) DTP - Diagnostik technisch relevanter Plasmen (H.Jäger) LWT - Licht- und Wärmestrahlungstechnik (H.Heß) PGP - Plasma- und Gasentladungsphysik (T.Neger) STP - Subsekunden-Thermophysik (G.Pottlacher)

2 2 Das Projekt Wärmestrahlung am Institut für Experimentalphysik Motivation Schon seit vielen Jahren besteht am Institut für Experimentalphysik die Tendenz, neben der Grundlagenforschung auf den Gebieten der Optik, sowie der Atom-, Molekül- und Plasmaphysik auch anwendungsorientierte Forschung zu betreiben. Einer dieser Anwendungsschwerpunkte ist die Lichttechnik. In den letzten Jahren wurde begonnen, diesen Aufgabenbereich in eine Richtung zu erweitern, die sich in einem übergeordneten Sinn unter dem Begriff Wärmestrahlung einordnen läßt. Die dabei durchgeführten und geplanten Untersuchungen zielen letztlich darauf ab, eine Energieeinsparung und Verbesserung des Wohlbefindens in Wohnräumen durch eine verstärkte Berücksichtigung der Wärmestrahlung zu erzielen. Nachstehend wird etwas näher auf die dabei gegebenen Teilprobleme eingegangen. Die Energieübertragung durch Wärmestrahlung wurde im Wohnbau bisher viel zu wenig beachtet. Dies gilt sowohl für die Raumheizung, als auch für die Energieverluste, vor allem infolge Strahlungsdurchgangs durch die Fenster. Bei den heute zunehmend eingesetzten großflächigen Fenstern besteht andererseits nach wie vor das große Problem der unerwünscht starken Aufheizung durch Sonnenstrahlung. Der gesamte Fragenkomplex einer eingehenderen Berücksichtigung der Wärmestrahlung im Wohnbau läßt sich demnach in drei Problemkreise aufgliedern: 1. Raumheizung durch Wärmestrahlung, 2. Flexible transparente Wärmedämmung, 3. Sonnenschutz. Der weitaus größte Teil an erforderlichen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist bei der Raumheizung gegeben. Raumheizung Konventionelle Raumheizungen Bei den derzeit gebräuchlichen Raumheizungen wird Energie zum überwiegenden Teil durch Konvektion der Raumluft auf den Menschen übertragen. Diese üblichen Konvektionssysteme sind vergleichsweise energetisch aufwendig, weil die Heizkörper auf relativ hohe Temperaturen gebracht werden müssen, damit der Konvektionsmechanismus zufriedenstellend abläuft. Raumwände und Einrichtungsgegenstände, deren Temperaturen nicht zuletzt auch für die Behaglichkeit des Raumes ganz wesentlich sind, werden vorwiegend erst durch Berührung mit der aufgeheizten Luft erwärmt.

3 3 Die konventionellen Systeme sind im normalen stationären Betriebszustand kaum in der Lage, im gesamten Raum einen optimalen Gleichgewichtszustand zwischen Körpertemperatur und Temperatur der Raumumschließungsflächen herzustellen. Die daraus resultierenden, subjektiv empfundenen Zugerscheinungen werden dann vielfach durch eine Überhöhung der Raumtemperatur ausgeglichen, was sich in der Jahresbilanz in der Regel mit einem energetischen Mehraufwand von 6-7 % pro 1 Grad niederschlägt. Die konventionellen Systeme beeinträchtigen oft die Gesundheit und das Wohlbefinden der Bewohner, weil es durch die Konvektion zu einer Staubaufwirbelung kommt. Es ist dies die Hauptursache für das oft geäußerte Empfinden der trockenen Luft bei Zentralheizungen. Die Luftfeuchte in konventionell beheizten Räumen sollte etwa 40 % - 45 % betragen. Eine geringere Luftfeuchte wirkt sich bei konventionellen Systemen einerseits negativ auf die Behaglichkeit aus, verhindert andererseits jedoch die Bildung von Schimmel und Moder auf kalten Oberflächen. Die immer häufiger auftretenden Allergien scheinen zum Teil - insbesondere bei Kindern - auf die Aufwirbelung von Stäuben synthetischer organischer Stoffe (herrührend von Teppichböden und anderen Heimtextilien) zurückzuführen zu sein. Die konventionellen Systeme sind bei intermittierendem Betrieb ungünstig, weil sie erst dann eine befriedigende Heizwirkung erzielen, wenn bei den Raumwänden bzw. Raumeinschließungsflächen ein entsprechendes Temperaturniveau erreicht ist. Daher ist bei Systemen mit vorwiegend konvektiver Wärmeübertragung eine schnelle Anpassung der zugeführten Heizenergie an die im Tagesverlauf unterschiedliche Benutzung der Räume und die tageszeitlich verschieden zur Verfügung stehende Solarenergie bzw. die unterschiedlichen Außentemperaturen nur sehr unzureichend möglich. Heizung durch Wärmestrahlung Den Vorteilen eines Einsatzes von Wärmestrahlung bei der Raumheizung wurde bisher viel zu wenig Beachtung geschenkt. Es gibt auf diesem Gebiet zwar schon seit Jahrhunderten Erfahrungen beim Bau von Kachelöfen, sowie von Fußboden - und Deckenheizungen. Alle diese Heizungsarten werden jedoch bis heute fast immer nur auf der Basis empirischer Kenntnisse konzipiert. Grundlegendste physikalische Zusammenhänge werden dabei in der Regel außer Acht gelassen: Die Rolle der Emissions-, Reflexions- und Absorptions-eigenschaften der Innenraumflächen und der Einrichtungsgegenstände, sowie die der Strahlungsdiffusionsvorgänge in oberflächennahen Schichten. Die Strahlungsdaten aller Oberflächen des Raumes müssen bekannt sein, wenn man ihren Einfluß auf das Raumklima in theoretischen Betrachtungen richtig erfassen will. Verstärkt wird dieses Problem noch dadurch, daß bei einem Wohnraum naturgemäß nicht alle Wände beheizt werden können, so daß die anderen Wände bis zu einem bestimmten Grad mit geeigneten Reflexionseigenschaften im Infrarot ausgestattet werden müssen.

4 4 Ein Heizungssystem muß in der Lage sein, sehr schnell Temperaturverhätnisse im Raum zu schaffen, die dem Menschen eine gewisse Behaglichkeit gewährleisten. Bei bevorzugter Verwendung von Wärmestrahlung ist dies gegeben. Darüber hinaus wird dabei ein gesundes Raumklima geschaffen. Es scheint daher höchst an der Zeit, bei der Entwicklung von Raumheizungen und der Erforschung der thermischen Behaglichkeit der Wärmestrahlung mehr Aufmerksamkeit zu widmen. Die Forderung nach schnell erreichbarer thermischer Behaglichkeit wird von den bereits bestehenden Niedertemperatur-Großflächen-Strahlungsheizungen erfüllt. Beim Betrieb solcher Heizungssysteme ist überdies eine schnelle und gute Regelbarkeit gegeben. Die volle Heizwirkung setzt nahezu unmittelbar nach dem einschalten des Heizungssystems ein. Niedertemperatur-Großflächen-Strahlungsheizungssysteme werden seit geraumer Zeit auf dem Markt angeboten (Abb.1). Sie vermeiden größtenteils die im vorigen Abschnitt angeführten ungünstigen Begleiterscheinungen der konventionellen Raumheizung. Bei diesen Heizsystemen erfolgt die Energieübertragung zum menschlichen Körper vorwiegend durch die Wärmestrahlung der auf etwa 28 C - 35 C erwärmten Wandoberfläche ( etwa 25% der Wandfläche des Raumes). Das hat zur Folge, daß die Raumlufttemperatur von 22 o C auf etwa 18 o C abgesenkt werden kann. Die horizontale Wärmestrahlung von vertikalen Heizflächen erfaßt im Mittel einen größeren Querschnitt eines Bewohners als eine Decken- oder Fußbodenheizung. Eine Wandheizung - allenfalls kombiniert mit einer Deckenheizung - sorgt für ein optimales Raumklima, wodurch ein Höchstmaß an Behaglichkeit und Gesundheit der Bewohner gewährleistet wird. Da die Heizenergie hauptsächlich direkt durch Wärmestrahlung übertragen wird, verringert sich der Konvektions-Heizungsanteil, was auch eine wesentliche Einsparung von Energie (bis zu 30%) im Vergleich zu konventionellen Heizungssystemen ermöglicht. Infolge der geringen Masse der einsetzbaren Heizflächen (Abb.1) und der direkten Energieübertragung durch Wärmestrahlung besitzen diese Heizungssysteme eine wesentlich geringere "thermische Trägheit" als konventionelle Systeme. In Verbindung mit einer entsprechenden elektronischen Heizungsregelung kann der Wärmebedarf des Raumes daher sehr schnell den notwendigen Ansprüchen angepaßt werden, so daß eine wirkliche "Heizungsoptimierung" gegeben ist. Alle bisher installierten Großflächen - Strahlungsheizungen wurden weitgehend ohne exakte und detaillierte physikalische Berechnung der Wärmestrahlungssflüsse im Hinblick auf optimale Abstrahlungs- und Reflexionsverhältnisse der Raumbegrenzungsflächen entwickelt. Grund dafür ist der Mangel an den dazu notwendigen physikalischen Strahlungs-Daten der Raumwände und Einrichtungsgegenstände (Emissions-, Absorptions- und Reflexionskoeffizienten).

5 5 Abb. 1: Schematische Darstellung der Einwirkung von emittierter und reflektierter Wärmestrahlung auf den Menschen bei einer Großflächen-Strahlungsheizung Die Forschungsarbeiten werden sich daher zunächst eingehend mit den physikalischen Strahlungsverhältnissen und den optischen Eigenschaften von Raumumschließungsflächen im sichtbaren und infraroten Spektralbereich befassen. Hierzu ist es erforderlich, die entsprechenden Stoffkennzahlen von verschiedenen Bauteilen, Oberflächenverkleidungen und Anstrichen zu messen, mit deren Hilfe erst die Strahlungsgleichgewichtsrechnungen durchgeführt werden können. Derartige Rechnungen werden am Institut im Rahmen einer Doktorarbeit derzeit durchgeführt. In weiterer Folge können dann auf dieser Basis strahlungsgünstige Wandaufbauten bzw. -konstruktionen entwickelt werden. Eine bestmögliche Abstrahlung wird bekanntlich bei einem sogenannten Schwarzen Körper erreicht. Bei einem solchen hängt die insgesamt über alle Wellenlängen abgestrahlte Leistung nur von der Temperatur ab (siehe Abb. 2). Abb. 2: Spektrale Intensitätsverteilung eines Schwarzen Körpers bei drei verschiedenen Temperaturen Abb. 3: Beispiel für die spektrale Intensitätsverteilung der abgegebenen Strahlung bei einem realen Körper im Vergleich zu einem Schwarzen Körper gleicher Temperatur

6 6 Bei realen Bauteilen ist die Abstrahlung geringer als beim Schwarzen Körper (Abb. 3). Sie wird stark durch das jeweilige Material, dessen Struktur und Oberflächenbeschaffenheit bestimmt. Die Abhängigkeit des abgegebenen Strahlungsflusses von Temperatur und Wellenlänge kann bei allen interessierenden Baustoffen nicht wie beim Schwarzen Körper berechnet, sondern muß erst durch Strahlungsmessungen festgestellt werden, was bisher nicht in ausreichendem Maße erfolgt ist. Für alle diese Strahlungsmessungen ist ein experimenteller Aufbau zur Bestimmung der spektralen Abhängigkeit der Emissions- und Reflexionswerte im Wellenlängenbereich von 0.25 µm bis etwa 50 µm bei Temperaturen von -20 C bis 80 C erforderlich. Damit können wesentliche neue Erkenntnisse über das Abstrahlungs-, Reflexions- und Absorptionsverhalten von Baumaterialien und Wandbeschichtungen (Verkleidungen, Pigmentfarben, Bindemittel etc.) erhalten werden. Auch das Strahlungsverhalten unter bestimmten Alterungserscheinungen wäre zu untersuchen. Untersuchungen zur Optimierung einer Strahlungsheizung Hauptziel der geplanten Strahlungsmessungen ist es, zunächst Materialien bzw. Wandaufbauten mit hohem Emissionsgrad für die Wärmestrahlungsflächen und solche mit passendem Reflexionsgrad für die restlichen Raumoberflächen aufzufinden bzw. zu entwickeln. In einem weiteren Schritt sind exakte Berechnungsmethoden auszuarbeiten, die planende Architekten und Ingenieure in die Lage versetzen, bei Kenntnis der in Frage kommenden Stoffkennzahlen Strahlungsheizungssysteme für die Praxis zu berechnen und zu optimieren, um deren baulichen Einsatz zu ermöglichen. Ferner soll auch eine einfache Meßanordnung entwickelt werden, die es erlaubt, die vorher theoretisch berechneten Strahlungsvorgänge empirisch zu überprüfen. Hierbei soll die Flexibilität von Wärme-Strahlungsheizsystemen unter Berücksichtigung von tageszeitlich unterschiedlichen Solarenergie- und Nutzungseinflüssen getestet und optimiert werden. Durch geeignete Versuche soll festgestellt werden, inwieweit man die Temperatur der Oberflächen von Räumen im Zustand der Nichtbenutzung absenken kann, ohne daß gesundheitsgefährdende Schimmelpilzbildung entsteht. Bei Absenkung der Temperatur von nichtbenutzten Räumen und deren anschließende Aufheizung sollen die zulässigen Abkühl- und Anheizzeiten unter Einsatz der verschiedenen Baustoffkombinationen und Einrichtungsgegenstände ermittelt werden. Da bei einem vorwiegend auf Strahlung wirkendem Heizsystem das Behaglichkeitsempfinden der Bewohner eine etwa 2-3 Grad niedrigere Lufttemperatur bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von etwa 40% in geschlossenen Räumen zuläßt, ist in diesem Zusammenhang auch der Lüftungswärmeverlust (der bei gut gedämmten Räumen derzeit 50%

7 7 und mehr vom Gesamtwärmeverlust beträgt) neu zu definieren. Bei gezielter Anordnung der Wärmestrahlungsflächen könnte schon ohne besondere "Bauteilbelüftung" jedwede Kondensation sowohl an den Oberflächen sowie im Inneren der Bauteile verhindert werden. Da vorwiegend Wärmestrahlung abgebende Heizsysteme (Niedertemperatur-Großflächen- Strahlungsheizungen) im Wohnbau interessant sind, gilt zu erforschen, wo diese Heizsysteme und in welchem Ausmaß sie unter Berücksichtigung der vorgegebenen Parameter sinnvoll eingesetzt werden können. Dabei sind vor allem die bauphysikalischen Erfordernisse verschiedener Baustoffschichtungen in Bezug auf ein optimales Wärme- und Feuchteverhalten unter Berücksichtigung der aktuellen ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkte zu untersuchen. Zum Abschluß sollten Jahresenergiebilanzen von Raumtemperierungssystemen erstellt werden, bei denen der Wärmetransport überwiegend durch Strahlung erfolgt, und diese Ergebnisse mit denen herkömmlicher, vorwiegend auf Konvektionwirkung beruhender Heizsysteme verglichen werden. Die Projektarbeit sollte schließlich als Grundlage und Anregung für weitere Pilotaktionen bzw. Demonstrationsprojekte für die energetische Optimierung von Raumtemperierungssystemen mit einer vermehrten Berücksichtigung des Wärmestrahlungstransportes dienen. Wirtschaftliche Vorteile beim Einsatz von Niedertemperatur-Großflächen-Strahlungsheizungssystemen Bedenkt man, daß der Neubauzuwachs an Wohnungen lt. Statistik in Österreich pro Jahr nur etwa 1,2% des Wohnungsbestandes beträgt, so wird verständlich, daß das Erneuern von Altbauwohnungen für die Bauindustrie mit ihrer schlechten Auftragslage von entscheidender Bedeutung ist, zumal das Sanieren von Altbauten sehr handarbeitsintensiv ist und daher vor allem bei klein- und mittelständischen Betrieben eine beachtliche Zahl von Arbeitsplätzen schaffen würde. Die konventionellen Heizungen vieler begehrter Altbauwohnungen lassen sich aber nicht einfach durch bestehende "Nullenergie-Techniken" ersetzen. Hier heißt es nachrüsten. Wände und Decken müssen gedämmt und mit neuester gesundheitsfördernder Heizungstechnik ausgestattet werden. Besonders bei Altbauten mit denkmalgeschützten, historisch wertvollen Fassaden, die nicht mit einer Außendämmung versehen werden können, ist eine effektive konventionelle wärmetechnische Nachrüstung mit fast unlösbaren Problemen verbunden. Diese große Herausforderung der Energiepolitik kann durch die Bauwirtschaft angenommen werden, wenn durch eine gezielte und rasche Erforschung und Weiterentwicklung die Mög-

8 8 lichkeiten, die die Niedertemperatur-Großflächen-Strahlungsheizungen in Verbindung mit IRreflektierenden Wandbeschichtungen bieten, voll ausgeschöpft werden. Eine solche neue Entwicklung ist nur tragfähig, wenn Physiker die Vorteile einer Strahlungsheizung mit den baupraktischen Kenntnissen eines Hochbauers verbinden und diese unter Mitwirkung eines Physiologen gemeinsam entwickeln. Flexible transparente Wärmedämmung Ein großer Teil der Heizungsenergie für Wohn- und Büroräume geht bekanntlich durch die Fenster verloren. Man hat dabei nicht nur - wie dies bisher vorzugsweise geschehen ist - die Verluste durch Wärmeleitung sondern auch die des Strahlungsdurchtritts durch die Fenster zu berücksichtigen. Dies spielt insbesondere bei der Abstrahlung gegen den kalten Nachthimmel eine Rolle. Das Problem der Durchlässigkeit der Fenster für Wärmestrahlung wird besonders kompliziert durch den Umstand, daß - bei stets gleichbleibender voller Transparenz für sichtbares Licht ( wasserhelle Fenster) - der Durchgang an Wärmestrahlung variierbar sein sollte. Gute Transparenz bezüglich Wärmestrahlung ist im Sommer nachts erwünscht, wenn - beispielsweise wegen Straßenlärms - Fenster nicht offengehalten werden können. Eine Kühlung des Raumes ist dann durch Abstrahlung zu erreichen. Erwünscht ist ein guter Wärmestrahlungsdurchgang durch die Fenster auch vielfach im Winter bei Sonnenschein, um dadurch Heizkosten zu sparen. Im Winter nachts und im Sommer tagsüber ist naturgemäß eine Wärmestrahlungsdurchlässigkeit der Fenster wenig erwünscht. Es ist also ein Fenster gesucht, dessen Transparenz für Wärmestrahlung den Erfordernissen angepaßt werden kann, mit dem Ziel, Heizkosten einzusparen und ein besseres Wohlbefinden der Bewohner zu erreichen. Sonnenschutz Dieser dritte Problemkreis überschneidet sich bis zu einem gewissen Grad mit dem zuvor genannten. Im Wohnbau werden heute gerne großflächige Fenster verwendet, wodurch im Sommer vermehrt das Problem des Abhaltens von Sonnenstrahlung entsteht. Sonnenschutzelemente, wie Jalousien, Markisen, Zeltplanen oder Sonnenschutzfolien für Gewächshäuser sollten - neben einer bestimmten, Durchlässigkeit für sichtbares Licht - die Wärmestrahlung möglichst weitgehend abschirmen. Derartige Sonnenschutzflächen dürfen dabei nicht zu hohe Temperaturen erreichen, da sie dann selbst zu stark Wärmestrahlung emittieren. Moderne Sonnenschutzelemente sollten im Prinzip nach Art des Laubbaums wirken, dessen Kühlwirkung ja auf einer Dämpfung des Strahlungstransports durch viele Schichten beruht, die durch Luftzirkulation gekühlt werden.

9 9 Die Bedeutung des Sonnenschutzes ist insofern im Steigen begriffen, als der Wunsch nach Klimatisierung von Wohn- und Büroräumen stetig steigt und heute in manchen Gebäuden bereits mehr Kosten für die Klimatisierung im Sommer als für die Heizung im Winter aufgewendet werden müssen. Eine besonders große Zunahme an Energieaufwendungen für Klimatisierungen ist naturgemäß in den Südländern festzustellen. Am Institut wird derzeit im Rahmen einer Diplomarbeit eine Meßanordnung entwickelt, mit der in der Praxis auf einfache Weise Messungen der Strahlungsdurchlässigkeit und der Strahlungsemission von aufgeheizten Sonnenschutztextilien durchgeführt werden können. Zusammenfassung Die drei genannten Problemkreise müssen experimentell und theoretisch bearbeitet werden. Mit Hilfe der heute zur Verfügung stehenden leistungsfähigen Computer ist es möglich, auch sehr komplexe Strahlungsgleichgewichts - und Strahlungsdiffusionsvorgänge theoretisch zu erfassen. Die erforderlichen Grundlagen sind größtenteils bestens bekannt. Für einige Detailprobleme gibt es sogar schon eingehende und gute Computerprogramme. Die wesentlichste Voraussetzung für derartige Rechnungen sind die Strahlungsdaten der jeweils im speziellen Fall gegebenen Raumflächen und Schichten, also beispielsweise die Emissions- Absorptions- und Reflexionskoeffizienten der Raumflächen oder die Transmissionskoeffizienten relevanter Schichten wie z.b. Fenster oder Rollos. Alle diese Daten müssen für die verschiedenen Wellenlängen der Strahlung bekannt sein. Die erforderlichen Messungen müssen dabei in einem sehr breiten Spektralbereich durchgeführt werden, angefangen vom nahen Ultraviolett bis weit in den Infrarot-Bereich hinein. Letzeres ist leicht einzusehen, wenn man bedenkt, daß bei einer Wandtemperatur von 20 C das Maximum der emittierten Wärmestrahlung eine Wellenlänge von etwa 10µm hat. Es sind also Spektralapparate und Detektoren erforderlich, die bis zu einer Wellenlänge von etwa 50µm genügend empfindlich sind. In einem zweiten Schritt wird es dann notwendig sein, die durch die Basisuntersuchungen erhaltenen optimalen Bedingungen für die Flächenheizungswandaufbauten oder die Anordnungen reflektierender Möbelflächen, sowie für die Beschichtungen und Konstruktionen von Fensterflächen und Sonnenschutzelementen dann auch in der Realität zu überprüfen. Dies erfordert großräumige Laboreinrichtungen, in denen die entsprechenden Aufbauten entwickelt und mit Hilfe entsprechender Meßeinrichtungen überprüft werden können. Das Ziel aller dieser Aktivitäten sollte sein, der heimischen Industrie zu helfen, einschlägige neue Produkte wie Wandaufbauten, Verputzmaterialien, Anstriche, Sonnen- und Sichtschutzrollos sowie flexible, selektiv durchlässige Fenstergläser auf dem Markt anzubieten. Eine derartige Institution, die Prüf- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Wärmestrahlung durchführt, sollte aber auch letztlich in der Lage sein, international anerkannte

10 10 Zertifikate über die von ihr untersuchten Produkte zu erstellen. Dadurch wird es im besonderen Maße gelingen, der heimischen Wirtschaft auf dem internationalen Markt Wettbewerbsvorteile zu verschaffen. H. Hess und H. Jäger

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13 BC PC PMT PH f=200 M PMT PH f=200 M PMT Mon PD f=100 M M M M f=750 M Gaszelle Pr BS 50:50 Ap M M BS PD Ch M M Ar + oder HeNe- Laser Nd:YAG- Laser Dye- Laser BBO f=2000 Ap 2x Pr ÜÔ Ö Ñ ÒØ ÐÐ Ö Ù Ù ÓÜ Ö¹ Ú Ö Ö ÈÅÌ È ÓØÓÑÙÐØ ÔÐ Ö ÈÀ È Ò ÓÐ Å ËÔ Ð ÅÓÒ ÅÓÒÓ ÖÓÑ ¹ ØÓÖ È È ÓØÓ Ó Ë ËØÖ ÐØ Ð Ö ÈÖ ÈÖ Ñ ÓÔÔ Ö Ç Î Ö ÓÔÔÐ Ö Ö Ø ÐÐ Ô Ð Ò Ä Ø Ö ØÙÖ ½º À Ò Ö º ÃÓÐÐ Ö Ïº Ò Ë ĐÙÖÖ Ö º ÌÖ ØÑ ÒØ Ó Ä Ö¹ÁÒ Ù Ì ÖÑ Ð ÓÙ Ø Ò Ø Ö Ñ ÛÓÖ Ó Ö Ø Ã Ò Ø Ì ÓÖÝ È Ý º Ê Úº ÔØ ÓÖ ÔÙ Ð Ø ÓÒº ¾º ÙÑÑ Ò º º Ä Ö¹ Ò Ù Ì ÖÑ Ð ÓÙ Ø ÄÁÌ µ Ë ÑÔÐ ÙÖ Ø Å ¹ ÙÖ Ñ ÒØ ÇÔØ Ä ØØ Ö º½ ÔÔ ½ ½¹½ ½ µ º Ð Ö Àº º ĐÙÒØ Ö Èº Ò ÈÓ Ð ºÏº Ä Ö¹ÁÒ Ù ÝÒ Ñ Ö Ø Ò ËÔÖ Ò Ö ½ µº

14 Atomlaser Aus Bose-Einstein-Kondensaten lassen sich kohärente Materiewellen auskoppeln Tilman Esslinger, Immanuel Bloch und Theodor W. Hänsch Im Blickpunkt Mit Atomlasern gelingt es, kohärente Materiewellenstrahlen zu erzeugen, die ähnliche Eigenschaften besitzen, wie optische Laserstrahlen. Diese erstaunliche Kontrolle über die Bewegung von Atomen ist durch die Bose-Einstein-Kondensation möglich, wobei nahe am absoluten Nullpunkt die Quantennatur von Atomgasen deutlich zu Tage tritt. Abb. 1: Die Atomlaser-Gallerie zeigt zwei gepulste, einen kontinuierlichen und einen quasi-kontinuierlichen Atomlaser. Gezeigt ist jeweils die Dichteverteilung der Atomlaserstrahlen. Die Gravitationsbeschleunigung ist im rechten Bild senkrecht zur Bildebene und in den übrigen Bildern abwärts gerichtet. Die Abbildungen haben eine Länge von 5 mm, 2 mm, 0,5 mm und 1 mm (von links). Die Ergebnisse stammen vom Massachusetts Institute of Technology, Max-Planck-Institut für Quantenoptik und LMU München, Yale University, NIST Gaithersburgh (von links). Mit der Demonstration der ersten optischen Laser vor vierzig Jahren gelang ein wissenschaftlicher Durchbruch: Es wurde möglich, kohärente elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich zu erzeugen und so die ultimative Kontrolle über die Richtung, die Intensität und die Frequenz von Lichtfeldern zu gewinnen. Seither hat der Laser einen weiten Einsatzbereich in wissenschaftlichen und allgemeinen Anwendungen gefunden. Durch die Realisierung der Bose-Einstein- Kondensation in Atomgasen [1 4] ist jetzt eine ähnliche Kontrolle über Materiewellen in greifbare Nähe gerückt. In jüngsten Forschungsarbeiten ist es gelungen, Bose-Einstein-Kondensate einzusetzen, um kohärente Materiewellenstrahlen zu erzeugen [5 8]. Diese völlig neuartigen Quellen für Atome werden als Atomlaser bezeichnet und zeigen weitreichende Analogien zu optischen Lasern. Die zentralen Elemente eines optischen Lasers sind der Resonator, in dem das Licht hin- und herreflektiert wird, das aktive Medium zur Verstärkung der Lasermode und der Auskoppelspiegel, durch den das Licht den Laser verlässt. Der Resonator eines Atomlasers ist die magnetische Falle, in der das Bose-Einstein-Kondensat gespeichert ist. Die Erzeugung des Bose- Einstein-Kondensates entspricht dem Aufbau des Strahlungsfeldes in einer Mode des optischen Resonators. Um einen kohärenten Materiewellenstrahl aus der magnetischen Falle zu extrahieren, wurden gepulste [5, 6], gerichtete [7] und kontinuierliche [8] Auskoppelmechanismen demonstriert (Abb. 1). Atomlaser eröffnen bisher nicht zugängliche Anwendungsbereiche in der Optik und der Interferometrie mit Atomen. So sollte es prinzipiell möglich sein, Atomlaserstrahlen bis an deren Beugungsgrenze, die im Nanometerbereich liegen kann, zu fokussieren. Für atominterferometrische Messungen sind Atomlaser aufgrund ihrer Phasenkohärenz und der sehr guten Kollimation eine ideale Quelle. Es ist zu erwarten, dass mit Hilfe von Atomlasern in Zukunft Messungen von Rotationsbeschleunigungen und der Gravitationsbeschleunigung mit einer Genauigkeit und Empfindlichkeit durchgeführt werden können, die den bisherigen Stand bei weitem übertreffen. Auch Anwendungen in der Nanotechnologie und der Oberflächenphysik sind vorstellbar. Atomlaserstrahlen unterscheiden sich fundamental von thermischen Atomstrahlen bezüglich ihrer Kohärenz. Ein Atomlaserstrahl kann im Prinzip über seine gesamte Ausdehnung, die im Millimeter- bis Zentimeterbereich liegt, phasenkohärent sein. Bereits im ersten Atomlaserexperiment gelang es, die Interferenzfähigkeit zweier unabhängiger Atomlaser qualitativ nachzuweisen [9]. Ähnlich wie Lichtwellen lassen sich auch Materiewellen durch eine Wellengleichung beschreiben. Die Wellenlänge von Materiewellen ergibt sich durch die de-broglie-beziehung l = h/mv, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum, m die Masse und v die Geschwindigkeit des Atoms ist. Die de-broglie- Beziehung zeigt, dass sich die Wellenlänge eines Atomlaserstrahls durch Beschleunigen der Atome verkürzen lässt. Nach einer Beschleunigungsstrecke von 1 mm im Gravitationsfeld hat ein Atomlaserstrahl aus Rubidiumatomen eine Wellenlänge von 30 nm. Ein wesentlicher Unterschied zwischen optischen Lasern und Atomlasern besteht darin, dass der Atomlaserstrahl aus massiven Teilchen besteht. Dies hat verschiedene Konsequenzen. So kann ein Atomlaserstrahl, wie auch alle anderen Atomstrahlen, nur im Vakuum ungestört propagieren, da die Atome sonst durch Stöße mit anderen Atomen gestreut würden. Zudem unterliegen die Atome dem Einfluss der Schwerkraft. Andererseits erlauben es die reichhaltigen Möglichkeiten zur Manipulation der internen Freiheitsgrade des Atoms, Strahlteiler, Spiegel und Linsen für Materiewellen zu konstruieren sowie komplexere atomoptische Elemente zu realisieren. Mit kalten Atomen zum Atomlaser In den bisher realisierten kompakten High-Tech-Apparaturen zur Erzeugung kohärenter Materiewellen wird ein Atomgas innerhalb von etwa einer Minute auf eine Temperatur im Nanokelvinbereich abgekühlt. Da dies selbst mit aufwändigen Heliummischkryostaten nicht möglich ist, wird eine ausgeklügelte Kombination der Kühlung mit Laserlicht und der Verdampfungskühlung eingesetzt [10], wobei die eigentliche Apparatur gar nicht gekühlt werden muss. Die Kühlung mit Laserlicht beruht darauf, dass Atome bei der Physikalische Blätter 56 (2000) Nr /00/ $ /0 WILEY-VCH Verlag GmbH, D Weinheim, 2000 Dr. Tilman Esslinger, Dipl.-Phys. Immanuel Bloch, Prof. Dr. Theodor W. Hänsch, Max- Planck-Institut für Quantenoptik und Ludwig-Maximilians-Universität München, Schellingstr. 4, München 47

15 Im Blickpunkt Wechselwirkung mit einem Laserfeld aufgrund des Doppler-Effektes eine geschwindigkeitsabhängige Kraft erfahren. Dieses Phänomen wird genutzt, um die Atome in einer Anordnung von sechs gegenläufigen Laserstrahlen auf etwa 100 Mikrokelvin zu kühlen. Durch ein zusätzlich angelegtes, schwaches Magnetfeld gelingt es, die Atome im Laserlicht zu halten. Im nächsten Schritt wird das Laserlicht ausgeschaltet und die Atome werden in eine magnetische Falle geladen. Das harmonische Potential der Falle wird durch ein Magnetfeld erzeugt, dessen Betrag in alle Raumrichtungen quadratisch zunimmt und im Zentrum der Falle nicht verschwindet. Diese Magnetfeldgeometrie lässt sich durch eine geeignete Anordnung stromdurchflossener Spulen erreichen. Durch optisches Pumpen wird das magnetische Moment der Atome so orientiert, dass diese eine Kraft erfahren, die zum Zentrum der Falle zeigt. Die Oszillationsfrequenzen der Atome in der Falle liegen bei 10 Hz bis 200 Hz. Die gefangenen Atome verhalten sich dabei wie kleine Stabmagneten, die um ihre eigene Achse rotieren. Durch die Rotation erfährt der magnetische Kreisel eine Larmor-Präzession und der Stabmagnet behält seine Ausrichtung relativ zum Magnetfeld bei und erfährt im inhomogenen Magnetfeld eine gerichtete Kraft. Das Atomgas wird in der magnetischen Falle gekühlt, indem man die energiereichen Atome zum Verdampfen bringt. Dies wird durch kontinuierliches Absenken des Fallenpotentials erreicht. Die in der Falle zurückgebliebenen Atome streben durch elastische Stöße das thermische Gleichgewicht an, das bei einer niedrigeren Temperatur liegt. Gleichzeitig wächst die Dichte des Atomgases an. In unserem Experiment wird der Phasenübergang zum Bose-Einstein-Kondensat bei einer Temperatur von 400 nk und einer Dichte von etwa Atome/ cm 3 erreicht. In den Experimenten können Kondensate mit typischerweise einer Million Atome erzeugt werden. Das gefangene Gas befindet sich während des gesamten Kühlprozesses im Ultrahochvakuum bei mbar. Auf diese Weise sind die kalten Atome von der La- Atomlaser-Gleichungen Der Atomlaser lässt sich durch ein einfaches Modell beschreiben, das in der Abbildung illustriert ist [13, 14]. Man betrachtet ein atomares System mit zwei internen Zuständen, die unterschiedliche magnetische Momente haben. Im Zustand 1 erfährt das Atom die Kraft des Fallenpotentials V Falle (r), im Zustand 0 unterliegt es lediglich der Gravitationsbeschleunigung. Die Kondensation geschieht im Zustand 1, und die Auskoppelung wird durch ein monochromatisches Radiofrequenzfeld erreicht, das die kondensierten Atome in den Zustand 0 überführt. Für Temperaturen deutlich unterhalb der kritischen Temperatur lassen sich die Wellenfunktionen des Atomlaserstrahls F0 = F0(r, t) und des Kondensats F1 = F1(r, t) durch zwei gekoppelte sog. Gross-Pitaevskii-Gleichungen beschreiben: F 2 2! i! F0 = t HG + 2m mgz + UF + H I K I 2 2 F K J 0 F1 F0 iv t +! Ve rf F1, F 2 2! i! F1 = + t 2m mgz HG F U F + V H 0 F1 K + Falle F1 iv t +! Ve rf F0. I I K J Neben der kinetischen Energie steht auf der rechten Seite der Gleichungen das Gravitationspotential mgz. Das harmonische Potential V Falle wirkt nur auf das magnetisch gefangene Kondensat und ist durch die Oszillationsfrequenz der Atome in der Falle charakterisiert. Der dritte Term beschreibt die Wechselwirkung der untereinander elastisch stoßenden Teilchen und ist proportional zur Kondensatdichte F 0 2 und zur Dichte F 1 2 des Atomlaserstrahls. Die Kopplungskonstante ist durch U =4p! 2 a/m gegeben, wobei a die Streulänge zweier miteinander stoßender Teilchen und m die Masse eines Atoms ist. Es wird angenommen, dass a und damit auch U unabhängig vom internen Zustand des Atoms sind. Der letzte Term auf der rechten Seite der Gleichungen beschreibt die Wirkung der Radiowelle mit der Frequenz v rf, die die internen Zustände über die Rabi-Energie!V aneinander koppelt. Für die resultierende Dynamik des Auskoppelprozesses muss man zwischen zwei Regimes unterscheiden, je nachdem, ob die Radiofrequenz kurz oder lange eingestrahlt wird verglichen mit der inversen Oszillationsfrequenz der Atome in der Falle [15, 16]. Im ersten Fall lässt sich der Term der kinetischen Energie vernachlässigen, und die Gleichungen reduzieren sich formal zu einem ortsabhängigen Zwei-Niveau- Rabi-Problem. Für ausreichend starke Rabi-Kopplung vollführt das ganze Kondensat eine Rabi-Oszillation zwischen den Zuständen 0 und 1. Der Anteil des Kondensats, der ausgekoppelt wird, lässt sich durch den Zeitpunkt bestimmen, zu dem der Rabi- Zyklus unterbrochen, d. h. die Radiofrequenz abgeschaltet wird [5]. Bei der kurzen Dauer des Radiofrequenzpulses ist die Energieunschärfe des Photons so groß, dass die Atome über die gesamte räumliche Ausdehnung des Kondensates ausgekoppelt werden. Sie erfahren dann im nicht gefangenen Zustand ein unterschiedliches Gravitations- und Wechselwirkungspotential. Dies bestimmt die Energiebreite des Atomlasers und führt bei den leichten Natriumatomen zur einer Sichelform des ausgekoppelten Atomlaserstrahls (Abb. 1, ganz links). Wird der Auskoppelprozess über eine Zeitdauer aufrechterhalten, die groß im Vergleich zur inversen Oszillationsfrequenz der Atome ist, erhält man für schwache Rabi-Kopplung eine energetisch schmalbandige Atomlaserwelle, da die Energieunschärfe des Photons gering ist und die Radiofrequenzübergänge nur in einem räumlich lokalisierten Bereich getrieben werden. Die ausgekoppelten Atome erfahren daher alle dasselbe Potential im Gravitationsfeld. Die Kopplung zwischen der Kondensatwellenfunktion und der Atomlaserwelle kann dann durch eine Rate beschrieben werden, die das Überlappintegral zwischen Kondensatwellenfunktion und ausgekoppeltem Zustand beinhaltet. Prinzip eines Atomlasers. Die Kondensatwellenfunktion im magnetisch gefangenen Zustand wird durch eine Radiowelle an den nicht gefangenen Zustand gekoppelt. Die resultierende Atomlaserwelle breitet sich im Gravitationspotential aus und hat eine scharf definierte Energie, wenn es gelingt, mit einer geringen Rate über einen Zeitraum auszukoppeln, der groß ist im Vergleich zur inversen Oszillationsfrequenz der gefangenen Atome. Die Potentialkurven repräsentieren das Fallenpotential und das Gravitationspotential, jeweils einschließlich des effektiven Potentials, das die Wechselwirkung der Atome untereinander beschreibt. Die Gravitationsbeschleunigung zeigt in der Abbildung entlang der horizonalen Achse nach rechts. 48 Physikalische Blätter 56 (2000) Nr. 2

16 Abb. 2: Atomlaser am Phasenübergang. Die drei Absorptionsbilder zeigen den über einen Zeitraum von 13 ms ausgekoppelten Atomstrahl für verschiedene Temperaturen T des gefangenen Bose-Gases. Linkes Bild: T > T c, mittleres Bild: T < T c, rechtes Bild: T T c. Die kritische Temperatur, bei der sich der Phasenübergang zur Bose- Einstein-Kondensation vollzieht, ist mit T c bezeichnet. Der rechts abgebildet Atomlaserstrahl enthält etwa Atome. Im Kondensatbereich (rot) sind die Bilder gesättigt. Die Größe des Bildes beträgt 2,5 mm 2,2 mm. borumgebung bei Raumtemperatur thermisch isoliert. In einem Bose-Einstein-Kondensat ist der Grundzustand des Systems von einer makroskopischen Anzahl von Atomen besetzt und lässt sich durch eine einzige Wellenfunktion beschreiben. Das magnetisch gefangenen Kondensat ist die Quelle für den kohärenten Materiewellenstrahl. Durch einen Auskoppelmechanismus wird die Kondensatwellenfunktion, an das Kontinuum der Ausgangsmoden gekoppelt (Abb. 1). Der erste Atomlaser wurde in der Arbeitsgruppe von Wolfgang Ketterle am MIT demonstriert [5]. In diesem Experiment dienten kurze Radiofrequenzpulse mit einer Dauer von wenigen Mikrosekunden dazu, einen Teil des magnetisch gefangenen Kondensats in einen inneren Zustand zu transferieren, in dem die Atome das Fallenpotential nicht mehr spüren. Durch mehrfaches Einstrahlen der Radiofrequenzpulse gelang es, einen Pulszug kohärenter Materiewellen zu erzeugen. Einen anderen Weg sind die Wissenschaftler an der Universität in Yale gegangen [6]. Sie haben ein Bose-Einstein-Kondensat in das periodische Potential einer vertikal orientierten stehenden Lichtwelle geladen, wobei das Kondensat auf mehrere Potentialtöpfe verteilt ist. Ein Tunneln der Atome aus den Töpfen lässt sich erzielen, indem man die Potentialbarriere kontrolliert absenkt. Dieser Atomlaser hat Ähnlichkeiten mit einem Modengekoppelten Laser. In der Gruppe von Nobelpreisträger William Phillips am NIST in Gaithersburgh gelang es, einen gerichteten Atomlaserstrahl zu erzeugen [7]. In diesem Experiment diente ein Zwei-Photonen-Raman-Puls dazu, Impuls auf die Atome zu übertragen, wenn diese in den nicht gefangenen Zustand transferiert werden. Eine hohe Wiederholrate der Raman-Pulse ermöglichte es, die ausgekoppelten Wellenpakete aneinander anzufügen, sodass ein quasi-kontinuierliches Auskoppeln verwirklicht wurde. Kontinuierlicher Auskoppelmechanismus Unserer Arbeitsgruppe war es 1998 erstmals gelungen, einen Atomlaser mit kontinuierlichem Auskoppelmechanismus zu demonstrieren [8]. Dieser Mechanismus erlaubt es, einen monoenergetischen und kollimierten Atomlaserstrahl zu erzeugen. Im Experiment konnte der Auskoppelprozess bis zu 100 ms aufrechterhalten werden. Abbildung 2 zeigt den Atomlaserstrahl für verschiedene Temperaturen des gefangenen Atomgases. Durch ein monochromatisches Radiofrequenz-Feld werden die Kondensatatome von einem magnetisch gefangenen in einen magnetisch nicht gefangenen Zustand transferiert und dann durch die Gravitation beschleunigt. Voraussetzung für einen kontinuierlichen Auskoppelprozess ist, dass die Fluktuationen des magnetischen Fallenfeldes sehr gering sind. Dies wird in folgender Betrachtung der Geometrie des Auskoppelprozesses veranschaulicht: Im magnetisch gefangenen Zustand erfahren die Atome in allen drei Raumrichtungen ein harmonisches Potential und werden zigarrenförmig eingeschlossen, mit der langen Achse senkrecht zur Gravitation. Das Kondensat ist in axialer Richtung 100 mm ausgedehnt, und der radiale Durchmesser beträgt 10 mm. Die Gravitationskraft führt dazu, dass das Minimum des Fallenpotentials und somit das Kondensat um 13 mm gegenüber dem Minimum des Magnetfeldes verschoben sind. Der räumliche Bereich, in dem Atome ausgekoppelt werden, ist durch die Schale definiert, in der die Elektronen-Spin- Resonanzbedingung!ß2 m B B(r) =!v rf erfüllt ist, wobei m B das Bohrsche Magneton, B(r) das lokale Magnetfeld und v rf die Frequenz des Radiofeldes ist. Fluktuation im Magnetfeld von nur 20 Milli-Gauß führen dazu, dass die Resonanzschale nicht mehr mit dem Kondensat überlappt und der Auskoppelprozess unterbrochen wird. Die Dynamik des Atomlasers lässt sich in einem eindimensionalen Modell (siehe Infokasten) gut beschreiben, da sich das Gravitationspotential innerhalb der Auskoppelregion nur wenig ändert. Der austretende Atomlaserstrahl kann durch Airy-Funktionen, den Eigenfunktionen der Schrödinger-Gleichung für massebehaftete Teilchen im linearen Gravitationspotential, beschrieben werden. Ein Atomlaserstrahl mit scharf definierter Energie entsteht, wenn der Auskoppelprozess über eine Zeitdauer aufrecht erhalten wird, die groß gegenüber der reziproken Oszillationsfrequenz der Kondensatatome in der Falle ist. Der kontinuierliche Auskoppelmechanismus erlaubt es, das Bose- Einstein-Kondensat mit einer räumlichen Auflösung im Sub-Mikrometerbereich zu manipulieren. Diese Eigenschaft haben wir verwendet, um die räumliche Ausdehnung des Bose-Einstein-Kondensates spektroskopisch zu untersuchen [8]. Voraussetzung für die in Abb. 3 ge- Abb. 3: Kondensatspektroskopie. Die Messungen zeigen die Anzahl der Kondensatatome nach einer Auskoppeldauer von 20 ms in Abhängigkeit von der Frequenz der eingestrahlten Radiowelle. Die Auskoppeldauer ist groß verglichen mit der Oszillationsperiode des Kondensats in der Falle von ca. 1 ms. Daher ist die Frequenz der Radiowelle ausreichend scharf definiert, um den räumlichen Bereich festzulegen, in dem die Atome ausgekoppelt werden. Bei 1,745 MHz liegt die Auskoppelregion unterhalb des Kondensats, bei 1,725 MHz oberhalb. Die Frequenzbreite der Resonanzkurve entspricht einem radialen Durchmesser des Kondensats von 10 mm. Physikalische Blätter 56 (2000) Nr. 2 Im Blickpunkt 49

17 Im Blickpunkt zeigten Präzisionsmessungen am Kondensat und für die Atomlaserexperimente ist ein stabiles Fallenmagnetfeld. In unserem Experiment setzten wir eine neuartige, besonders kompakte und effiziente Magnetfalle ein [11]. Die Falle ist innerhalb einer magnetischen Abschirmung aus m-metall platziert, um die Störmagnetfelder der Umgebung zu minimieren. Die lokale Auskopplung haben wir in einem weiteren Experiment genutzt, um einen virtuellen Doppelspalt für das gefangene Bose-Gas zu erzeugen [12]. Mit Hilfe von Radiofrequenzen werden Atomlaserstrahlen aus zwei Raumbereichen der Falle ausgesandt und zur Überlagerung gebracht. Ist das gefangene Gas nicht kondensiert, so ergibt sich die Dichte des ausgehenden Atomstrahls als Summe der einzelnen Strahlen (linkes Teilbild im Inhaltsverzeichnis). Liegt im gefangenen Gas jedoch ein Bose-Einstein-Kondensat vor, so kann eine Interferenzstruktur mit lokalen Minima und Maxima in der ausgesandten Dichteverteilung beobachtet werden (rechtes Teilbild im Inhaltsverzeichnis). Ähnlich wie kohärentes Laserlicht können sich die Materiewellenstrahlen verstärken oder auslöschen. Die Messungen wurden für mehrere Temperaturen des Gases und für verschiedene Abstände der virtuellen Spalte durchgeführt. Die quantitative Analyse des Interferenzmusters zeigt die fundamentale Änderung der Materieeigenschaften beim quantenmechanischen Phasenübergang zum Bose-Einstein- Kondensat. Es stellt sich eine langreichweitige Ordnung in den zugrunde liegenden Quantenfeldern ein, die Grundlage makroskopischer Quantenphänome wie der Supraleitung und der Suprafluidität ist. Ein sehr großes Anwendungspotential für Atomlaserquellen eröffnet sich, wenn es gelingt, eine längere Strahldauer und einen höheren Atomfluss zu erreichen. Derzeit werden hierfür zwei Möglichkeiten in Betracht gezogen: Entweder gelingt es, wesentlich größere Kondensate zu erzeugen, oder es wird eine Methode für das kontinuierliche Nachladen von Atomen in das Kondensat realisiert. In diesem Zusammenhang ist es von großem Interesse, die Bose-Einstein-Kondensation allein durch Techniken der Laserkühlung zu erreichen. Es gibt zurzeit vielfältige Anstrengungen, auch Moleküle zu fangen, zu kühlen und zu kondensieren. Vielleicht wird in einigen Jahren auch ein erster Moleküllaser realisiert, in dem dann die Moleküle selbst Bestandteil der kohärenten Welle und nicht das Verstärkungsmedium für Licht sind. Literatur [1] M. H. Anderson et al., Science 269, 198 (1995). [2] K. B. Davis et al., Phys. Rev. Lett. 75, 3969 (1995). [3] C. C. Bradley et al., Phys. Rev. Lett. 75, 1687 (1995). [4] W. Ketterle, Phys. Bl., Juli/August 1997, S [5] M. O. Mewes et al., Phys. Rev. Lett. 78, 582 (1997). [6] B. P. Anderson und M. A. Kasevich, Science 282, 1686 (1998). [7] E. W. Hagley et al., Science 283, 1706 (1999). [8] I. Bloch, T. W. Hänsch und T. Esslinger, Phys. Rev. Lett. 82, 3008 (1999). [9] M. R. Andrews et al., Science 275, 637 (1997). [10] W. Petrich, Phys. Bl., April 1996, S [11] T. Esslinger, I. Bloch und T. W. Hänsch, Phys. Rev. A 58, R2264 (1998). [12] I. Bloch, T. W. Hänsch und T. Esslinger, Nature 403, 166 (2000). [13] R. J. Ballagh, K. Burnett und T. F. Scott, Phys. Rev. Lett. 78, 1607 (1997). [14] M. Naraschewski, A. Schenzle und H. Wallis, Phys. Rev. A 56, 603 (1997). [15] Y. B. Band, P. S. Julienne und M. Trippenbach, Phys. Rev. A 59, 3823 (1999). [16] J. Schneider, A. Schenzle, Appl. Phys. B 69, 353 (1999). 50 Physikalische Blätter 56 (2000) Nr. 2

18 Schwerpunkt Astroteilchenphysik Die Suche nach den Quellen der kosmischen Strahlung Antworten versprechen die Luftschauerexperimente KASCADE und AUGER Hans Blümer und Karl-Heinz Kampert Kaum eine Frage fundamentaler Bedeutung hat die Astrophysiker vor so große Probleme gestellt, wie diejenige nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung. Ihre Energiedichte ist vergleichbar mit der des sichtbaren Sternenlichts oder der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, sie ist verantwortlich für eine elektromagnetische Kontinuumsstrahlung vom Radio- bis zum hochenergetischen Gamma-Bereich, und ihr Energiespektrum scheint sich zu beliebig hohen Werten fortzusetzen. In der Tat stammen die höchsten jemals auf der Erde beobachteten Teilchenenergien aus der kosmischen Strahlung. Die Untersuchung zweier markanter Energiebereiche des Strahlungsspektrums bei etwa ev und ev verspricht eine Lösung des über 80 Jahre alten Problems. In diesem Zusammenhang spielen die Luftschauerexperimente KASCADE (Abb. 1) und AUGER eine wichtige Rolle. Im Jahre 1912 entdeckte der Österreicher Victor Hess auf einer Reihe von Ballonflügen bis in 5000 m Höhe, dass die Ionisation der Luft nach Durchlaufen eines flachen Minimums bei etwa 1000 m zu größeren Höhen hin deutlich anstieg. Zwischen 4000 und 5000 m war sie schließlich mehr als doppelt so hoch wie am Erdboden. Er führte dies auf extraterrestrische Strahlungsquellen zurück und erhielt für seine Entdeckung 1936 den Nobelpreis für Physik. Während man zunächst vermutete, dass es sich bei der Höhenstrahlung vornehmlich um hochenergetische Elektronen und Gamma-Strahlung handelt, wissen wir inzwischen, dass sie vorwiegend aus Protonen, leichten und schweren Kernen besteht. Elektronen tragen dagegen nur etwa 1 % bei. Die Strahlung überdeckt einen Energiebereich von etwa 10 6 ev bis oberhalb von ev. Der Fluss fällt allerdings oberhalb von ca. 1 GeV steil nach dem Potenzgesetz E g ab, wobei g 2,7 ± 0,1 ist. Teilchen mit Energien unterhalb 1 GeV stammen vorwiegend aus der Sonne noch bis zu etwa 10 GeV wird der an der Erde gemessene Fluss durch die Sonnenaktivität moduliert. Bei noch höheren Energien schließlich zeigt sich direkt das Spektrum der Strahlung, die in unserer Galaxie oder möglicherweise außerhalb davon entsteht. Das gesamte Strahlungsspektrum (Abb. 2) macht die großen Schwierigkeiten des experimentellen Nachweises deutlich: Der Fluss sinkt im Beobachtungsbereich mit steigender Energie um mehr als 30 Dekaden von etwa 1 Teilchen/(cm 2 s) oberhalb 100 MeV bis unter 1 Teilchen/(km 2 Jahrhundert) oberhalb ev. Bis zu Energien von etwa ev gestattet der vergleichsweise hohe Fluss eine direkte Identifizierung der Teilchen auf hochfliegenden Ballons oder Satelliten. Die hierbei gewonnenen element- und isotopenspezifischen Energieverteilungen gestatten wichtige Schlussfolgerungen über die Herkunft und Ausbreitung der Teilchen in der Galaxis (vgl. den Beitrag von M. Simon in diesem Heft). Wie aber kommt es zur Beschleunigung der Teilchen bis zu Energien von über ev, d. h. etwa fach höheren Energien als der weltweit leistungsfähigste Beschleuniger LHC (Large Hadron Collider) ab 2006 zu erzeugen vermag? Unmittelbar verknüpft mit dieser Frage ist auch die nach dem Ursprung des beobachteten Potenzgesetzes, das bereits auf nicht-thermische Entstehungsmechanismen hinweist. Enrico Fermi lieferte erstmals eine befriedigende und in wesentlichen Grundzügen bis heute favorisierte Antwort. Demnach werden die geladenen Teilchen durch stochastische Reflexionen an sich bewegenden magnetischen Plasmawolken beschleunigt (vgl. den Beitrag von H. Krawczynski et al. in diesem Heft). Die notwendige Leistung und Effizienz erreicht dieser Prozess allerdings erst wie man in den 70er-Jahren erkannte in kosmischen Stoßfronten. Diese entstehen im Universum zwar in Physikalische Blätter 56 (2000) Nr /00/ $ /0 WILEY-VCH Verlag GmbH, D Weinheim, 2000 Abb. 1: Das KASCADE- Experiment auf dem Gelände des Forschungszentrums Karlsruhe soll Aufschluss darüber geben, mit welchen Mechanismen die Teilchen der kosmischen Strahlung auf ihre gewaltigen Energien beschleunigt werden. Prof. Dr. Hans Blümer, Prof. Dr. Karl- Heinz Kampert, Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für Kernphysik und Universität Karlsruhe, Institut für Experimentelle Kernphysik, Postfach 3640, D Karlsruhe 39

19 Schwerpunkt 1) E max z B r; z: Ladung des beschleunigten Teilchens, B: Magnetfeldstärke, r: Ausdehnung der Beschleunigungsregion 2) ~kascade/kascade_ home.html 3) großer Vielfalt und mit unterschiedlichsten Größen, jedoch scheinen innerhalb unserer Galaxis nur Supernova-Hüllen die notwendige Beschleunigungsleistung erbringen zu können [1]. Abb. 2: Energiespektrum der kosmischen Strahlung oberhalb 100 MeV. Die Daten entstammen einer größeren Anzahl unterschiedlicher Messungen; die Zahlen an der Kurve geben die integralen Teilchenflüsse oberhalb der jeweils markierten Stellen an. Der Fluss sinkt im gezeigten Energieintervall um mehr als 30 Dekaden nach einem Potenzgesetz, wobei sich der Exponent am so genannten Knie ändert (nach S. Swordy, Univ. Chicago). Das Knie der kosmischen Strahlung Um die Energiedichte der kosmischen Strahlung von etwa 1 ev/cm 3 aufrechtzuerhalten, ist im Volumen der Galaxis eine Erzeugungsleistung von W nötig (zum Vergleich: die Leistung der Sonne beträgt 3, W). Supernovae können diese Leistung erbringen, sobald nur einige Prozent der kinetischen Hüllenenergie in Beschleunigungsenergie umgesetzt werden ein Wert, der nach Computersimulationen leicht erreichbar scheint. Indirekte Hinweise auf die Beschleunigung von Elektronen im Supernova-Überrest SN1006 ergaben sich kürzlich aus Beobachtungen des Röntgensatelliten ASCA: Es gelang, das Röntgenspektrum von SN1006 als Synchrotronstrahlung von TeV-Elektronen zu interpretieren. Zudem gelang es, von dieser Quelle g-quanten mit Energien im TeV-Bereich nachzuweisen. Sie entstehen in so genannten inversen Compton-Stößen mit Photonen der 3K-Hintergrundstrahlung. Trotz dieser indirekten Hinweise fehlt bislang ein Beweis für die Beschleunigung hochenergetischer Hadronen am gleichen Ort. Die gegenwärtig im Aufbau befindlichen Cherenkov-Teleskope der dritten Generation (vgl. den Beitrag von H. Krawczynski et al. in diesem Heft) könnten dazu beitragen, wenn der zweifelsfreie Nachweis von Photonen aus p 0 -Zerfällen gelänge, die in hadronischen Reaktionen innerhalb des Beschleunigers entstehen. Einen direkten Zugang aber könnten die Hadronen selbst liefern. Eine einfache Dimensionsabschätzung zeigt, dass die maximal erreichbare Energie etwa ev beträgt und unter besonders günstigen Voraussetzungen sogar ev erreicht [2] 1). Im Energiespektrum (Abb. 2) zeigt sich gerade im Bereich dieser Maximalenergie ein markanter Knick, das so genannte Knie, an dem sich der Steigungsindex von g 2,7 nach g 3,1 ändert. Markiert das Knie somit die Grenzenergie eines Supernovae-Beschleunigers? Aufschluss hierüber kann die Elementzusammensetzung und das Energiespektrum im Bereich des Knies geben. In Analogie zu einem Teilchenbeschleuniger erwartet man mit zunehmender Ordnungszahl des Teilchens eine Verschiebung des Knies zu höheren Energien und damit unmittelbar verknüpft eine größere mittlere Masse oberhalb der Knie-Energie. Es wird auch diskutiert, dass sich das Sonnensystem zurzeit möglicherweise selbst innerhalb einer aktiven Supernovaschale befindet und das Energiespektrum im Bereich des Knies dadurch markante Strukturen aufweisen sollte. Spekulative Erklärungsversuche aus der Teilchenphysik schließlich versuchen das Knie durch die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit massebehafteten Neutrinos aus dem Urknall zu erklären. Auch zur Beschleunigung wurden alternative Modelle vorgeschlagen, so z. B. durch Wechselwirkungen mit elektrischen und magnetischen Feldern von Pulsaren. Hierbei zeigen sich jedoch Schwächen in der Erklärung des beobachteten Potenzgesetzes. Teilchenenergien oberhalb ev erfordern schließlich noch exotischere Quellen. Versuche zur Klärung der Herkunft dieser mysteriösen Teilchen werden weiter unten diskutiert. Luftschauer Der Nachweis kosmischer Teilchen mit Energien oberhalb von ca ev erfordert Detektorflächen und Messzeiten (siehe Abb. 2), die sich nur in erdgebundenen Experimenten realisieren lassen. Da die primären Teilchen jedoch mit den Atomkernen der Atmosphäre reagieren, gelangen sie gar nicht bis zur Erdoberfläche. Stattdessen detektiert man die in einem mehrstufigen Prozess in der Atmosphäre erzeugten Reaktionsprodukte, die einen sog. ausgedehnten Luftschauer bilden (Abb. 3). Die Schauerteilchen bilden eine leicht gewölbte, ausgedehnte Scheibe, die sich annähernd mit Lichtgeschwindigkeit durch die Atmosphäre bewegt. Auf Grund der vielen entstehenden Teilchen genügt es, die einzelnen Teilchenkomponenten am Erdboden stichprobenartig zu vermessen. Darü- Abb. 3: Schema eines Luftschauers und seines Nachweises (links). Das rechte Teilbild zeigt das Ergebnis einer CORSIKA-Simulation für ein Eisen-Primärteilchen mit einer Energie von ev. Man erkennt, dass hochenergetische Hadronen (blau) relativ eng (~ 30 m) um die Schauerachse konzentriert sind, Elektronen, Positronen und Photonen (rot, i. Allg. unter dem Begriff Elektronen zusammengefasst) den zahlenmäßig größten Anteil ausmachen und Myonen (grün) noch einige 100 m (bei ev) bis zu mehrere km (bei ev) entfernt von der Schauerachse nachweisbar sind. Höhe und Breite entsprechen einer Fläche von km Physikalische Blätter 56 (2000) Nr. 3

20 Schwerpunkt ber hinaus stehen optische Nachweismethoden zur Verfügung. Bei Primärenergien oberhalb von ca ev lässt sich insbesondere Fluoreszenzlicht im Wellenlängenbereich zwischen nm beobachten. Es entsteht vorwiegend durch die Wechselwirkung geladener Teilchen mit Stickstoffmolekülen der Atmosphäre und kann, wie weiter unten beschrieben, mithilfe abbildender Spiegelsysteme in klaren Nächten bis zu 30 km Entfernung beobachtet werden. Die Atmosphäre übernimmt hierbei also die Rolle eines aktiven Kalorimeters. Während z. B. beim KASCADE-Experiment 2) die Teilchen am Erdboden auf dem Gelände des Forschungszentrums Karlsruhe nachgewiesen werden, soll das Pierre-Auger-Experiment 3) in Mendoza (Argentinien) erstmals sowohl die Teilchen am Boden als auch das Fluoreszenzlicht in der Atmosphäre nachweisen (Hybrid-Technik). Letzten Endes interessiert man sich bei diesen Experimenten natürlich für die Richtung, die Energie sowie die Masse der Primärteilchen. Diese Größen müssen aus den Eigenschaften der Luftschauer abgeleitet werden, wobei die damit verbundenen Schwierigkeiten in der Reihenfolge der genannten Observablen zunehmen: Während sich die Richtung unmittelbar aus den Messdaten ergibt, erfordert die Bestimmung der Masse mehr oder minder aufwändige Luftschauersimulationen. Das in Karlsruhe entwickelte und inzwischen von vielen Gruppen weltweit verwendete Luftschauersimulationsprogramm CORSIKA erfüllt diesen Zweck [3]. Abbildung 3 (rechts) zeigt das Ergebnis einer solchen Simulation. Die Anzahl der Myonen steigt etwa proportional zur Energie des Primärteilchens und ist nahezu unabhängig von seiner Masse. Die am Erdboden beobachtete Elektronen- und insbesondere auch die Hadronenzahl sinkt dagegen mit zunehmender Masse des Primärteilchens. Ursache hierfür ist u. a. der höhere Wirkungsquerschnitt schwerer Kerne, der zu einer früheren Entwicklung des Schauers, d. h. in höheren Atmosphärenschichten, und damit zu einer stärkeren Absorption von Elektronen und Hadronen in der Atmosphäre führt. Das Verhältnis der Elektronen- oder Hadronenzahl relativ zur Myonenzahl ermöglicht es somit, die Masse des Primärteilchens abzuschätzen. Ergänzende Messgrößen sind die Häufigkeitsverteilung der jeweiligen Teilchensorten in Abhängigkeit von dem Abstand zur Schauerachse, die rekonstruierten Myon- Produktionshöhen, Orts- und Energieverteilungen hochenergetischer Hadronen im Schauerkern, das Zeitprofil der Schauerfront oder Fluktuationsbreiten einzelner Messgrößen. Elektromagnetische Reaktionen innerhalb eines Luftschauers lassen sich mithilfe der Quantenelektrodynamik sehr präzise beschreiben, wohingegen hadronische Reaktionen in Ermangelung einer fundamentalen Theorie nur phänomenologisch mit entsprechenden Unsicherheiten beschrieben werden können. Anzumerken ist, dass schon im Energiebereich des Knies die erste Wechselwirkung bei einer Schwerpunktsenergie von ca. 2 TeV (pp-stoß) stattfindet, d. h. bei Energien, die dem Tevatron-Beschleuniger am Fermilab in Chicago zugänglich sind. Bis zu dieser Energie haben die verwendeten Wechselwirkungsmodelle ihre Zuverlässigkeit durch umfangreiche Vergleiche mit Beschleunigerdaten bewiesen. Entscheidend für die Aspekte der Luftschauerentwicklung ist jedoch nicht der in Speicherringexperimenten vermessene Kinematikbereich senkrecht zur Strahlrichtung, sondern vielmehr der bislang nur unzureichend untersuchte extreme Vorwärtsbereich einer Reaktion. Hinsichtlich der hadronischen Wechselwirkung bewegen sich daher Luftschauerexperimente jenseits des Knies auf physikalischem Neuland. Das nachfolgend beschriebene KASCADE-Experiment wurde daher so konzipiert, dass es über die Astrophysik hinaus auch dazu beitragen kann, das Verständnis der hadronischen Wechselwirkung bei hohen Energien zu verbessern. Abb. 4: Luftschauer beobachtet von KASCADE. Die dargestellten Flächen entsprechen jeweils der Größe des Detektorfeldes ( m 2 ). Die Säulenhöhe ist ein Maß für die in jeder der 252 Stationen beobachtete Energiedeposition (links) und Ankunftszeit (rechts). KASCADE: Aufbau und erste Ergebnisse Das auf dem Gelände des Forschungszentrums Karlsruhe aufgebaute und mit ersten Komponenten 1996 in Betrieb genommene Großexperiment KASCA- DE (Karlsruhe Shower Core and Array Detector) wurde auf eine detaillierte Untersuchung des Knie-Energiebereichs optimiert und besteht aus mehreren nahezu unabhängigen Detektorkomponenten. Ein Gitter von 252 Detektorstationen auf einer Fläche von m 2 enthält Szintillationszähler jeweils für den Nachweis der weitverteilten Elektronen und Myonen. Im Abb. 5: Primärenergiespektrum aus KASCADE-Daten im Vergleich zu Literaturwerten. Das Knie bei E ev tritt deutlich hervor und wird nach den Ergebnissen einer Entfaltungsanalyse auschließlich von leichten Primärteilchen (blau) verursacht. Die gestrichelt gezeichneten Linien sind Extrapolationen außerhalb des Messbereichs und deuten an, dass ein entsprechendes Knie im Spektrum schwerer Elemente (rot) bei etwa ev zu Tage treten sollte. Die grünen Quadrate ergeben sich aus der Auswertung der sekundären Hadronen und Myonen, die durchgezogenen Linien aus der Auswertung der sekundären Elektronen und Myonen. Die schwarze Linie zeigt das Summenspektrum aus leichten und schweren Elementen. Physikalische Blätter 56 (2000) Nr. 3 41