Kölner Physikforscher haben in der Vergangenheit an neuen Methoden gearbeitet, wie man Atome in einen Zustand versetzen kann, der niedrigere Temperaturen als den absoluten Nullpunkt zulässt. Eigentlich gilt der absolute Nullpunkt ("Null Kelvin") bei minus 273,15 Grad Celsius. Doch während nach oben keine Grenze besteht, zumindest keine dem Menschen bekannte, soll bei Kälte ein solcher Nullpunkt existieren. Die Kölner Physikforscher schlagen nun eine Methode vor, wie man Atome unter den absoluten Nullpunkt bringen kann. Das Modell dazu entwickelten der Kölner Physikprofessor Achim Rösch und seine beiden Kollegen Akos Rapp und Stephan Mandt. Ãœber ihre Arbeiten haben die drei Wissenschaftler einen Aufsatz in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" verfasst und ihren neuen methodischen Ansatz erläutert.

Die Atome müssen demnach in der stehenden Welle eines Laserstrahls eingefangen werden, damit solche Temperaturen möglich werden. "Optisches Gitter" nennen die Forscher eine solche Konstellation. Weil die Atom in einem solchen Umfeld in einen hohen Energiezustand versetzt werden, können so noch niedrigere Temperaturen erreicht werden, argumentieren die Wissenschaftler. Die Atome müssten jedoch mit einer Kraft auseinander gezogen werden. Paradox mutet an, dass diese Atome sofort Wärme abstrahlen würden, wenn man sie mit anderen Atomen in Verbindung bringt. Die Temperaturen, die dann erreicht werden, wären ebenfalls deutlich heißer als von Menschen erzeugbar. "Die Quantenphysik hat etwas von Magie", philosophierte Physiker Rösch bezugnehmend auf die physikalischen Grenzen, die mithilfe der Quantenphysik bisweilen außer Kraft gesetzt zu werden scheinen.

Bei niedrigen Temperaturen ist zugleich auch der Energiezustand der Atome niedrig. Ãœblicherweise muss man für wärmere Temperaturen erst einmal Energie zuführen. Dabei sind Atome in normalem Zustand häufiger anzutreffen als Atome im angeregten Zustand. Diese Logik wird bei Temperaturen unter Null Kelvin auf den Kopf gedreht, erläuterten die Kölner Physiker. "Negative Temperaturen bedeuten, dass Zustände mit höherer Energie wahrscheinlicher sind als Zustände mit niedriger Energie. Die Gesetze der Thermodynamik erlauben erst einmal beides", erläuterte Rosch. Einen wichtigen Knackpunkt gibt es jedoch weiterhin. Damit ein solcher Zustand hergestellt werden kann, braucht es so etwas wie maximale Energie. Das aber gibt es bisher nicht bzw. wurde noch nicht hergestellt. Um ein System mit fester energetischer Obergrenze, mit maximaler Energie zu schaffen, müssen die Physiker das System "deckeln". "Die einzige Chance, negative Temperatur zu bekommen, ist dafür zu sorgen, dass die Teilchen nicht schneller und schneller werden", so der Kölner Physikprofessor weiter. Die Idee der Kölner Physiker ist nicht ganz neu. Bereits im Jahr 2005 hatte der niederländische Physiker Alan Mosk die Idee vorgetragen. Durch das Auseinanderziehen der Atome können die aber wegen des festgelegten Maximums an kinetischer Energie nicht auseinander fliegen. Das System ist energetisch nach oben hin geschlossen und erlaubt keine Bewegung. Die Atome nehmen aber durch die Behandlung trotzdem einen höheren energetischen Zustand an, so die wissenschaftliche Erklärung.

Gefühlt wären die Atome, die unter Null Kelvin kalt wären, unendlich heiß. Denn in den Sphären außerhalb des "positiven Temperatursystems" gilt, dass höhere Energiezustände mehr besetzt werden. "Wenn ich Zustände mit höherer Energie mehr besetze, dann heißt das, dass die Atome eine höhere Temperatur haben als selbst ein unendlich heißer Zustand", so Rösch weiter. Das Experiment dazu soll in Garching bei München umgesetzt werden. Im dortigen Max-Planck-Institut für Quantenoptik befinden sich die geeigneten Gerätschaften, um das Experiment auch durchführen zu können. Die Atome in der Laservorrichtung sollen sich am Ende der Versuchsreihe in ein Bose-Einstein-Kondensat verwandelt haben. Damit meinen die Physiker einen quantenmechanischen Aggregatzustand, in dem alle Atome den gleichen Zustand anzunehmen. Das allerdings könne längere Zeit andauern", so Physiker Rösch abschließend.