Forschendes Lernen – Eine "intensive week" zum Thema Laserkühlung

Ein neues Konzept um "forschen zu lernen"

Die erste eigene Arbeit in einem Forschungslabor ist ein besonderer Moment für jeden Studierenden. Das universitäre Studium ist dafür zwar eine hervorragende Vorbereitung, aber vom Lernen in Hörsaal, Seminarraum, Bibliothek oder Praktikum zur Lösung von Fragen in der aktuellen Forschung ist es dennoch ein großer Schritt. Dieser Schritt soll mit dem Konzept „Forschendes Lernen“ unterstützt werden. An der TU werden im fächerübergreifenden Programm LehrePlus im Rahmen der Auszeichnung „Exzellenz in der Lehre“ Pilotprojekte mit diesem Ziel unterstützt. Ein aktuelles Beispiel aus der Physik ist die intensive week zum Thema Laserkühlung.

Die vielschichtige Physikausbildung ist zwar eine gute Vorbereitung zur Behandlung von unbekannten Problemen, aber der Forschungsalltag ist anders als das Studium: Technische Ausstattung, Methoden und Fragestellungen gehen oftmals deutlich über das hinaus, was aus Laborpraktika oder theoretischer Ausbildung bekannt ist. Um diese Lücke zu verkleinern und schon im Studium aktuelle Forschung zu vermitteln, fand am Fachbereich Physik im Oktober eine Intensivwoche zum Thema Laserkühlung statt. Sie brachte an der TU zehn Studierende aus sechs Nationen zusammen, um an diesem hochmodernen Forschungsthema forschen zu lernen. Durch eine Kombination aus Vorlesungsbetrieb und eigenständiger, freier Laborarbeit wurden Grundlagen und Anwendungen der Laserkühlung vermittelt. Getragen wurde diese Veranstaltung vom neu eingerichteten Sonderforschungsbereich „OSCAR - Open Systems Control with Atomic and Photonic Matter“ (SFB/TRR 185). Das Konzept baut auf Veranstaltungen der Exzellenzgraduiertenschule BCGS der Universität Bonn auf, die das zweite Standbein des SFB/TRR 185 OSCAR bildet. In die aktuelle Veranstaltung waren außerdem die Exzellenzgraduiertenschule „Materials Science in Mainz (MAINZ)“, das Landesforschungszentrum OPTIMAS sowie das LehrePlus Projekt „Forschendes Lernen“ eingebunden.

Laserkühlung – Eine Eintrittskarte in die Quantenwelt

Mit einem intensiven Laserstrahl können Materialien wie Stahl, Holz oder Plastik hochpräzise geschnitten, verschweißt oder beschriftet werden. Dabei wird Material lokal stark erhitzt oder sogar verdampft. Laser können aber auch genau das Gegenteil erreichen: Durch gezielte Kontrolle der Laserstrahlung und Ausnutzung bestimmter Eigenschaften von Atomen können diese abgebremst und ein Gas bis fast auf den absoluten Nullpunkt der Temperatur abgekühlt werden. Das Konzept dieser sogenannten Laserkühlung mutet verwegen an: es lässt sich mit dem Versuch vergleichen, ein fahrendes Auto auf der Autobahn durch den Wurf von Tennisbällen abzubremsen. Das kann tatsächlich gelingen, aber nur wenn man mit einer sehr, sehr großen Zahl von Bällen auf das Auto wirft. In der Laserkühlung werden Atome in einem verdünnten Gas abgebremst, und statt Tennisbällen verwendet man Photonen, quantisierte Lichtanregungen der Laserstrahlung. Die Absorption jedes einzelnen Photons bremst ein Atom ein kleines bisschen ab, so dass nach vielen Tausenden von Absorptionsvorgängen das Atom fast zur Ruhe gebracht werden kann. Für diese Methode der Laserkühlung wurde 1997 der Nobelpreis für Physik verliehen und sie ist ein zentraler Baustein bei der Untersuchung von Quantenphänomenen im Labor: Bei sehr niedrigen Temperaturen werden alle Effekte, die Quanteneigenschaften zerstören, ausgefroren, bis schließlich bei wenigen Millionstel Bruchteilen eines Grad Celsius über dem absoluten Temperaturnullpunkt nur noch der Quantencharakter der Atome die Physik dominiert. Die in diesem Temperaturbereich untersuchten Quantensysteme können sehr genau in ihren Eigenschaften und ihrer Dynamik vermessen werden. Dies ermöglicht es, viele sehr grundlegende Prozesse der Quantenphysik zu studieren.

Am Puls der Forschung

Die Eigenschaften komplexer Quantensysteme sind Forschungsgegenstand des neuen SFB/TRR 185 „OSCAR - Open Systems Control with Atomic and Photonic Matter“ (SFB/TRR 185). Während in der Vergangenheit möglichst perfekt isolierte Quantensysteme theoretisch modelliert und experimentell realisiert wurden, ist in diesem SFB insbesondere die Umgebung des Quantensystems von Bedeutung. Normalerweise führt der Einfluss einer Umgebung, z.B. Wechselwirkung mit weiteren Atome oderoder nur eine Beleuchtung des Systems mit Laserstrahlen, zu einem Zerfall von Quanteneigenschaften, so dass wir sie nicht mehr erkennen können. Es gibt aber Fälle, in denen die Umgebung gerade die Quanteneigenschaften stabilisiert. Diese Fälle zu identifizieren und zu charakterisieren ist das zentrale Forschungsthema von OSCAR. Um Quantentechnologie eines Tages in die Anwendung zu bringen sind daher Systeme von zentraler Bedeutung, in denen die Quanteneigenschaften stabil bleiben und so vom Einfluss der Umgebung profitieren. Die Methoden der Laserkühlung sind wesentliche Werkzeuge um die zugrundeliegenden Vorgänge zu erforschen, und so diesem Ziel näher zu kommen.

Eine intensive Woche

Die Intensivwoche bot jeden Vormittag Vorlesungen zu den Grundlagen des Feldes an, die in dieser Kombination im regulären Vorlesungsbetrieb nicht zu realisieren wären. Die von Experten aus dem Gebiet behandelten Themen erstreckten sich dabei von der quantenmechanischen Beschreibung der Materie-Licht Wechselwirkung bis hin zu verschiedensten modernen Verfahren der Laserkühlung und ihren Anwendungen. Am Nachmittag standen die Labore für eigenständige praktische Forschungsarbeiten zur Verfügung. Hier konnten mit Geräten auf dem aktuellen Stand der Technik die angeeigneten theoretischen Grundlagen praktisch umgesetzt und angewendet werden. Es wurden Laser gebaut, ihre Eigenschaften untersucht und gezielt manipuliert, und eine Apparatur zur Laserkühlung selbstständig justiert.

Fazit

Aus Sicht der Studierenden war das kompakte Format der intensive week ein voller Erfolg, der dazu motiviert, das Konzept für die Zukunft zu übernehmen. Es soll beispielsweise auch im internationalen Masterstudiengang „Advanced Quantum Physics“ als neue Lehrform eingesetzt werden.