Ultrakalte Rydberggase und Plasmen mit Temperaturen weit unterhalb 1K werden seit ca. acht Jahren experimentell durch Photoanregung lasergekühlter atomarer Gase erzeugt und seitdem intensiv untersucht [1]. Als besonders attraktiv hat sich dabei die Tatsache erwiesen, dass diese Systeme im Grenzbereich zwischen Atomphysik, Plasmaphysik, statistischer Physik (der Anfangszustand ist ein Zustand fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht) und sogar Physik der kondensierten Materie angesiedelt sind. Abhängig von Parametern des Anfangszustandes (z.B. Dichte, Grad der elektronischen Anregung etc.) können so sehr verschiedene physikalische Aspekte studiert werden. Das Verständnis und die Beschreibung der Physik dieser Gase und Plasmen erfordern daher Konzepte, die traditionell verschiedenen Gebieten zugeordnet werden.

Die Sonderstellung ultrakalter Plasmen beispielsweise liegt in ihren für ein Plasma extrem niedrigen Temperaturen begründet. So ist ein großer Teil der bekannten Materie im Universum ionisiert und befindet sich in einem Plasmazustand, der oft auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet wird. Allen diesen „natürlichen“ Plasmen ist jedoch eines gemeinsam: hohe Temperaturen (d.h. Tausende oder gar Millionen Kelvin), die erforderlich sind, um die Bindungen zwischen Elektronen und Ionen aufzubrechen. Im Gegensatz dazu sind die durch Photoionisation ultrakalter Gase erzeugten Plasmen um mehrere Größenordnungen kälter, d.h. sie erschließen einen völlig neuen Parameterbereich, in dem Plasmen bisher nicht realisiert waren (Abb. 1).

Hierbei geht es um mehr als die Frage nach dem „Weltrekord“ für das kälteste Plasma. Tatsächlich sind mit diesem neuen Parameterregime auch neuartige und ungewöhnliche physikalische Eigenschaften verbunden, die eine Vielzahl von interessanten Fragestellungen nach sich ziehen. Die vielleicht spannendste hierbei ist die Frage nach den Auswirkungen von Korrelationen zwischen den Plasmateilchen, die in der Umkehr der „traditionellen“ Rolle von Wechselwirkungsenergie und thermischer Energie eines Plasmas begründet liegt. In einem heißen Plasma besitzen die Teilchen aufgrund der hohen Temperatur eine hohe (thermische) kinetische Energie, sie bewegen sich sehr schnell innerhalb des Volumens des Plasmas. Verglichen damit ist die elektrostatische Wechselwirkungsenergie des Systems aufgrund der Coulombwechselwirkung der geladenen Teilchen meist vernachlässigbar gering. Die Teilchen bewegen sich – bis auf binäre Stöße – quasi unabhängig voneinander; man spricht von einem (nahezu) idealen Plasma. Demgegenüber sind die Verhältnisse in einem ultrakalten Plasma genau umgekehrt. Aufgrund der viele Größenordnungen geringeren Temperaturen dominiert nun plötzlich die Wechselwirkung der Teilchen untereinander über ihre individuelle kinetische Energie. In diesem Regime erwartet man daher interessante Ordnungseffekte, angefangen von flüssigkeitsartiger kurzreichweitiger Ordnung bis hin zu einer „Kristallisation“ des Plasmas in langreichweitig geordnete, reguläre Strukturen. Solche Strukturen beobachtet man bereits in nichtneutralen Systemen wie in Fallen eingefangenen Ionen oder so genannten „staubigen Plasmen“, stark elektrisch geladenen Staubpartikeln unter dem Einfluss von elektrischen Feldern und Gravitation. In einem „echten“ Plasma, d.h. einem nach außen hin neutralen System aus Ladungen beiderlei Vorzeichens, das noch dazu nicht durch äußere Einschlüsse eingefangen ist sondern frei expandiert, ist ein solcher Zustand bisher experimentell nicht realisiert, geschweige denn die Dynamik des Kristallisationsvorgangs untersucht worden.

Zur theoretischen Beschreibung ultrakalter Plasmen haben wir in den letzten Jahren einen mikroskopischen numerischen Zugang entwickelt [2], der eine akkurate Beschreibung dieser Systeme erlaubt. Es handelt sich dabei um ein Hybridverfahren, das die elektronische und die ionische Komponente des Plasmas auf unterschiedliche Art und Weise berücksichtigt: Während die sehr viel schnelleren Elektronen in einer – sehr guten – Näherung als Flüssigkeit behandelt werden, werden die Ionen mittels so genannter „treecodes“ in einer vollen Molekulardynamikrechnung propagiert. Dieses Verfahren erlaubt nicht nur die Simulation aktueller Experimente in hervorragender Übereinstimmung mit dem Experiment, sondern weit detailliertere Studien, die über die gegenwärtigen experimentellen Möglichkeiten hinausgehen (entweder weil die entsprechenden Größen einer direkten Messung nicht zugänglich sind, oder weil die betrachteten Szenarien experimentell noch nicht realisiert sind). Wie verschiedene Arbeiten zeigen, kann man die aufgrund der extrem niedrigen Temperaturen erwartete oben diskutierte Ordnung der Plasmateilchen in gegenwärtigen Experimenten nicht beobachten. Dies liegt daran, dass es verschiedene, zunächst nicht beachtete, intrinsische Heizmechanismen gibt, die sowohl Elektronen als auch – etwas schwächer – Ionen auf einer sehr kurzen Zeitskala sehr stark aufheizen. Im Fall der Elektronen ist hierfür hauptsächlich Dreikörperrekombination verantwortlich, d.h., ein zunächst freies Plasmaelektron rekombiniert mit einem Ion zu einem neutralen Atom, und ein weiteres Elektron nimmt die dabei freiwerdende Bindungsenergie in Form von kinetischer Energie auf. Das Aufheizen der Ionen andererseits, deren Temperatur durch den beschriebenen Rekombinationsmechanismus nicht beeinflusst wird, erfolgt im Wesentlichen durch die Ausbildung räumlicher Korrelationen zwischen den einzelnen Ionen: Anfänglich dicht benachbarte Ionen stoßen sich aufgrund ihrer Coulombwechselwirkung sehr stark ab und wandeln dadurch potenzielle in kinetische Energie um. (Die orts- und zeitaufgelöste Dynamik dieser Ausbildung von Korrelationen ist ebenfalls sehr interessant [3], kann hier aber nicht näher besprochen werden.) In unseren Simulationen konnten wir jedoch zeigen, dass ein fortgesetztes Laserkühlen der Ionen während der Evolution des Plasmas dieses Aufheizen weitgehend kompensieren kann und damit die Ausbildung langreichweitiger Ordnung in einem neutralen, frei expandierenden Plasma möglich sein sollte [4]. Der entscheidende Parameter hierfür ist eine effektive Zeitskala für die Expansion des Plasmas, die sich aus der Anfangstemperatur der Elektronen, der Anfangsdichte, sowie Anzahl und Masse der Ionen zusammensetzt. Wählt man diese Parameter geeignet, sodass die Plasmaexpansion hinreichend langsam erfolgt, beobachtet man eine Kristallisation des Plasmas in konzentrischen Kugelschalen, wobei selbst innerhalb der einzelnen Schalen eine ausgeprägte Ordnung erkennbar ist (Abb. 2). An einer experimentellen Überprüfung unserer Vorhersage wird gegenwärtig gearbeitet.

Eng verbunden mit dem Gebiet der ultrakalten Plasmen ist die Physik der kalten Rydberggase, also Gasen, bei denen die einzelnen Atome elektronisch sehr hoch angeregt sind. Dies ist offensichtlich aus der Tatsache, dass beide Systeme im Wesentlichen mit dem gleichen experimentellen Aufbau erzeugt werden, wobei lediglich die dem System durch den Anregungslaser zugeführte Energie leicht unterschiedlich ist. Darüber hinaus gibt es jedoch auch einen viel tieferen physikalischen Zusammenhang, auf den hier nur sehr kurz eingegangen werden soll. Wie bereits oben im Zusammenhang mit der Dreikörperrekombination im Plasma beschrieben, beobachtet man Übergänge zwischen den beiden Zuständen; konkret eine Rekombination von Ionen und Elektronen eines Plasmas zu neutralen Rydbergatomen, aber auch den umgekehrten Prozess der spontanen Konversion eines sehr dichten Rydberggases in ein Plasma. Darüber hinaus gibt es jedoch eine Fülle an weiteren interessanten Effekten in Rydberggasen in einem Parameterbereich, in dem eine Konversion zu einem Plasma nicht stattfindet. Das Besondere an diesen Systemen ist die Tatsache, dass es sich einerseits um ein sehr kaltes Gas handelt, d.h. die Bewegung der Atome ist praktisch eingefroren (weswegen man ein solches Gas auch manchmal als „gefrorenes Gas“ bezeichnet), andererseits ist die elektronische Anregung der Atome jedoch sehr groß. Mit anderen Worten: verglichen mit kalten Gasen im Grundzustand enthält das System sehr viel Energie, diese ist jedoch in ungewöhnlichen Freiheitsgraden „gespeichert“. Gegenstand aktueller experimenteller wie theoretischer Forschung ist hier z.B. der Transfer solcher Anregungen durch das Gas, sowie die Unterdrückung der elektronischen Anregung aufgrund von Wechselwirkungseffekten, die so genannte „Dipolblockade“. Letztere ist nicht zuletzt auch im Hinblick auf eine mögliche Anwendung in der Quanteninformationsverarbeitung von großem Interesse [5].