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Quantenphysik: Das kälteste Gas im Universum

Seit kurzem gelingt es, winzige Gaswölkchen knapp über dem absoluten Nullpunkt in einen kollektiven Quantenzustand zu versetzen. Solche Bose-Einstein-Kondensate werden nun intensiv erforscht und auf mögliche Anwendungen untersucht.


Angenommen, Sie schnurren durch Zauberei auf die Größe eines Moleküls zusammen und können die Bewegung einzelner Atome in einem Gas beobachten. Die Partikel vor Ihnen gleichen unzerbrechlichen Glasmurmeln, die in einem nahezu leeren Raum umherflitzen und unaufhörlich voneinander abprallen. Vielleicht fällt Ihnen bei dem Anblick die Beschreibung des idealen Gases aus Ihrer Schulzeit ein.

Auf einmal bemerken Sie, dass die Murmeln weniger hektisch hin und her rasen. Aha! Irgendein Prozess kühlt das Gas allmählich ab. Zunächst verlieren die Murmeln nur an Geschwindigkeit und rücken näher zusammen: Die Dichte des Gases nimmt beim Abkühlen zu. Aber dann sehen Sie zu Ihrer Überraschung, dass die Murmeln selbst sich verändern. Die Größe der langsamsten wächst auf das Tausendfache, und ihre zuvor spiegelklare Oberfläche ist nun ganz unscharf geworden. Diese immer schemenhafteren Atome durchdringen einander, manchmal ohne Ablenkung, dann wieder mit einem Rückstoß, als wären sie mit etwas Hartem im Innern kollidiert.

Direkt vor Ihnen überlappen sich zwei der langsamsten, verschwommensten Atome und scheinen zu einem einzelnen größeren Bläschen zu verschmelzen. Dieses Ellipsoid absorbiert weitere Atome einzeln, paarweise oder gleich im Dutzend, und mit verblüffender Plötzlichkeit bleibt von all dem Wirrwarr nur eines übrig: ein riesiger bewegungsloser Zeppelin. Was ist mit all den einzelnen Atomen passiert? Was für ein mysteriöses Objekt ist das?

Vor Ihnen schwebt ein rein quantenmechanisches Gebilde, ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat, die kälteste Form eines Gases im Universum. Und obwohl die atomaren Bestandteile in diesem Gas immer noch existieren, haben sie jegliche Individualität verloren.

Meist bleiben die bizarren Eigenschaften der Quantenmechanik hinter der Fassade der klassischen Physik verborgen. Wir verwechseln diese Fassade mit der Wirklichkeit selbst, und daher rühren unsere alltäglichen Vorstellungen, wie die Welt funktioniert: Für uns hat jedes Objekt seine wohldefinierte Position, Bewegung und Identität, und sein Verhalten ist durch deterministische Gesetze exakt festgelegt.

Hingegen widersetzt sich das Wesen der Quantenmechanik unserer Anschauung: Ort und Bewegung von Teilchen sind grundsätzlich ungewiss und von Wahrscheinlichkeiten bestimmt. Sogar die Vorstellung, dass die Dinge eine unverkennbare Identität besitzen, muss für Quantenteilchen aufgegeben werden. Ein Bose-Einstein-Kondensat ist eine Ansammlung von Materie, die in kaum je zuvor beobachteter Deutlichkeit einem rein quantenmechanischen Verhaltensmuster folgt.

Besonders bemerkenswert ist das enorme Ausmaß solcher Kondensate – 100000-mal ausgedehnter als die größten gewöhnlichen Atome, sogar größer als menschliche Zellen. Daher können die Physiker das Quantenverhalten eines Kondensats in normalerweise undenkbarer Anschaulichkeit beobachten. So betont Steven L. Rolston vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg (US-Bundesstaat Maryland): "Unsere Aufnahmen von Bose-Einstein-Kondensaten sind echte Bilder von quantenmechani-schen Wellenfunktionen – wir können wirklich die Quantenmechanik in Aktion erleben."

Gasförmige Bose-Einstein-Kondensate wurden zum ersten Mal 1995 im Labor erzeugt – immerhin erst siebzig Jahre, nachdem Albert Einstein, ausgehend von ArbeBose, das Phänomen vorhergesagt hatte (siehe "Die Bose-Einstein-Kondensation" von Eric A. Cornell und Carl E. Wieman, Spektrum der Wissenschaft 5/1998, S. 44). Die Experimentatoren produzieren diese Kondensate in so genannten Atomfallen – Anordnungen von Laserstrahlen und Magnetfeldern, die eine stark verdünnte Wolke von Atomen in einer Vakuumkammer einfangen, festhalten und abkühlen (siehe Kasten auf Seite 55). Der renommierte Atomphysiker Daniel Kleppner vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) nennt die Erzeugung dieser Kondensate "die aufregendste Einzelentwicklung in der Atomphysik seit Entwicklung des Lasers".

Forschergruppen in aller Welt, einige geleitet von Nobelpreisträgern und künftigen Laureaten, erforschen seit fünf Jahren mit Feuereifer das exotische Gebiet, das durch diesen Durchbruch zugänglich geworden ist. Sie tasten die Kondensate mit Laserstrahlen ab, variieren die Fallen, die sie zusammenhalten, und beobachten, wie das Gas gemäß den Quantengesetzen hüpft, schaukelt und vibriert.

Doch Kondensate sind nicht nur beispielhafte Quantensysteme, sondern verkörpern auch eine eigentümliche Mischung mehrerer großer Forschungsgebiete: Atomphysik (einzelne Atome), Quantenoptik (Laserstrahlen und ihre Wechselwirkung) sowie Vielteilchenphysik (Festkörper, Flüssigkeiten und Gase) einschließlich der technologisch wichtigen Erforschung des Elektronenflusses in Metallen und Halbleitern.

Superflüssiges Helium


Der vorliegende Artikel vermag nur ein paar Beispiele für die erstaunlichen experimentellen Kunststücke zu geben, die den Physikern mit Bose-Einstein-Kondensaten gelungen sind. Die Ergebnisse beleuchten einige Facetten dieser Quantenobjekte: ihr Verhalten als Superflüssigkeit wie in flüssigem Helium, als präzise kontrollierbares atomares Gas und als eine Art Laserstrahl, der statt aus Licht aus Materie besteht.

Wird flüssiges Helium auf weniger als 2,2 Kelvin (Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt) abgekühlt, so nimmt es ein höchst merkwürdiges Verhalten an. Wie der sowjetische Physiker Pjotr Kapiza und der Kanadier John F. Allen 1938 entdeckten, wird Helium unterhalb dieser Temperatur superfluid: Es fließt ohne jede Viskosität und vermag am Rand eines offenen Behälters empor und aus ihm heraus zu kriechen. Diesen Effekten liegt die Bose-Einstein-Kondensation zu Grunde (siehe Kasten auf dieser Seite).

Die Experimentalphysiker wüssten nur zu gern, ob auch die gasförmigen Kondensate Superfluidität zeigen, aber die Antwort zu finden erweist sich als ausgesprochen schwierig. Superflüssiges Helium lässt sich in so großen Mengen produzieren, dass man sein seltsames Verhalten mit bloßem Auge beobachten kann. Die neuen Kondensate sind hingegen winzige Gaswölkchen, kaum gehaltvoller als Vakuum, und werden von Magnetfeldern höchstens ein paar Minuten lang zusammengehalten. Was würde es für einen derart hauchzarten Dampf überhaupt bedeuten, superfluid zu sein?

Ein einzigartiger Effekt sind die in einer rotierenden Superflüssigkeit entstehenden Quantenwirbel. Wenn man einen Eimer mit gewöhnlichem flüssigem Helium auf einem Drehtisch rotieren lässt, folgt nach einer Weile das gesamte Helium – ganz ähnlich wie Wasser – der Rotation des Eimers. Hingegen bilden sich in superfluidem Helium separate, regelmäßig angeordnete Quantenwirbel. Der kleinstmöglichen Rotation entspricht ein einziger Wirbel, der sich in der Mitte des Heliums rasch und am Behälterrand nur langsam dreht. Wenn man versucht, die Superflüssigkeit noch langsamer rotieren zu lassen, bleibt sie völlig bewegungslos.

Diese Effekte treten auf, weil die Atome im Kondensat stets in ein und demselben Quantenzustand sind und daher alle den gleichen Drehimpuls besitzen müssen. Doch der Drehimpuls kann nur diskrete Quantenwerte annehmen. Im bewegungslosen Zustand haben alle Atome Drehimpuls null; in einem Wirbel besitzen sie gerade ein Drehimpulsquant.

Im Jahre 1999 produzierten Carl E. Wieman und Eric A. Cornell am JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics) in Boulder (Colorado) erstmals Wirbel in Bose-Einstein-Kondensaten mit einer Methode, die James E. Williams und Murray J. Holland vorgeschlagen hatten. Sie erzeugten zunächst ein doppeltes Kondensat: zwei überlappende Kondensate aus demselben Element (Rubidium), aber in etwas unterschiedlichen Quantenzuständen.

Die Forscher bestrahlten das doppelte Kondensat mit Mikrowellen und einem Laser und erreichten, dass einem der Kondensate genau die zur Ausbildung eines Wirbels erforderliche quantenmechanische Phase aufgeprägt wurde. Dieser Prozess, der für einen klassischen Physiker gar nicht aussieht, als würde auch nur ein Atom bewegt, erzeugt den rotierenden Wirbelzustand. Indem die Forscher beobachteten, wie die beiden Kondensate miteinander interferierten, konnten sie die Quanteneigenschaften des Wirbels direkt nachweisen; dies war in sechzig Jahren Arbeit mit superfluidem Helium noch nie gelungen.

Später im selben Jahr vermochte Jean Dalibard an der École Normale Superieure in Paris erstmals quasi mit der Methode des rotierenden Eimers Wirbel zu erzeugen. Dalibards Gruppe bewegte einen Laserstrahl rund um den Rand der Atomfalle und schuf damit eine Art rotierende Verzerrung ihrer Gestalt. Diese Forscher konnten Anordnungen von bis zu 14 Wirbeln abbilden. Im September 1999 publizierten sie Drehimpuls-Messungen: In Übereinstimmung mit der Theorie ist der Wert null, bis der erste Wirbel erscheint, und springt dann sofort auf ein ganzes Drehimpulsquant.

Die Quantendynamik solcher Wirbel ist nicht nur für die Grundlagenforschung interessant, sondern auch für die Technik der Hochtemperatur-Supraleitung: Magnetfelder durchdringen diese Materialien, indem sie darin eine Anordnung von elektrischen Stromwirbeln erzeugen. Die Bewegung derartiger Flusswirbel führt zu Leistungsverlusten und macht damit die attraktivste Eigenschaft von Supraleitern – keinerlei elektrischen Widerstand aufzuweisen – zunichte. Untersuchungen an Bose-Einstein-Kondensaten könnten helfen, dieses Problem in den Griff zu bekommen.

Manipulierbare Wechselwirkungen von Atomen


In superfluidem Helium haben die Wirbelkerne nur ein Zehntel Nanometer (millionstel Millimeter) Durchmesser und lassen sich darum kaum im Detail untersuchen. Doch die Kerne der in Colorado und Paris beobachteten Wirbel sind etwa 5000-mal größer, denn gasförmige Kondensate haben im Vergleich zu flüssigem Helium extrem geringe Dichte, und ihre Atome treten nur sehr schwach in Wechselwirkung miteinander.

An der Dichte und den Wechselwirkungen von flüssigem Helium lässt sich so gut wie gar nichts ändern, aber die Dichte von gasförmigen Bose-Einstein-Kondensaten kann durch Straffen oder Lockern der Magnetfallen, die das Gas festhalten, variiert werden. Außerdem ist es möglich, die Wechselwirkungen in gasförmigen Kondensaten buchstäblich durch Drehen an einem Einstellknopf zu verändern. Diese Fähigkeit ist der Traum jedes Experimentators: Man stelle sich vor, wie die chemische Forschung aussähe, wenn wir die Bindungen zwischen den Atomen nach Belieben schwächen oder verstärken könnten.

Die Atome in einem gasförmigen Kondensat erfahren je nach Sorte eine schwache wechselseitige Abstoßung oder Anziehung. Beispielsweise stoßen Natrium-, Rubidium-87-oder Wasserstoff-Atome ihresgleichen ab. Lithium-7- und Rubidium-85-Atome dagegen wirken anziehend auf einander. Obwohl diese Kräfte winzig sind, modifizieren sie zahlreiche Eigenschaften eines Kondensats – zum Beispiel seine innere Energie, seine Größe, seine Schwingungsmoden und sein Entstehungstempo. Vor allem stabilisiert Abstoßung ein Kondensat, während Anziehung destabilisierend wirkt. Darum werden in Experimenten mit abstoßendem Rubidium-87 oder Natrium stets Millionen Atome gleichzeitig kondensiert, und die Kondensate können zwanzigmal größer sein als wenn es keine Abstoßung gäbe. Umgekehrt begrenzt die Anziehung die Lithium-7-Kondensate von Randall G. Hulets Gruppe an der Rice University in Houston (Texas) auf etwa 1500 Atome. Oberhalb dieser Größe zieht sich das Kondensat zusammen und wird so dicht, dass die Atome durch Kollisionen aus der Falle herausgeschleudert werden. Diese Ergebnisse lassen sich neuerdings durch raffinierte theoretische Modelle gut erklären, aber noch Anfang der neunziger Jahre bezweifelten die Physiker, dass einander anziehende Atome überhaupt ein Kondensat zu bilden vermögen.

Die Wechselwirkungen der Atome können durch so genannte Feshbach-Resonanzen verändert werden; der Kernphysiker Herman Feshbach vom MIT untersuchte in den sechziger Jahren ein analoges Phänomen bei kollidierenden Atomkernen. In einem ultrakalten Gas verformt ein starkes Magnetfeld die Atome und bewirkt bei bestimmten Feldstärken eine Resonanz zwischen zwei kollidierenden Atomen. In einem Kondensat spüren die Atome die Wirkung dieser Resonanzen fortwährend, weil ihre Wellenfunktionen einander überlappen; die Resonanzen modifizieren die Kräfte zwischen den Atomen, wobei die stärksten Effekte in der Nähe der Resonanz-Magnetfeldstärke auftreten.

Eine Schwierigkeit ist freilich, dass ein starkes Magnetfeld den magnetischen Einschluss der Atome zunichte machen kann. Wolfgang Ketterles Gruppe am MIT löste dieses Problem 1998, indem sie Natrium-Kondensate aus einer Magnetfalle in eine Laserfalle übertrug. Aber obwohl es der MIT-Gruppe gelang, den Effekt der Feshbach-Resonanzen zu beobachten, waren detailliertere Untersuchungen unmöglich: Als das Magnetfeld auf einen Wert in der Nähe einer Resonanz hochgefahren wurde, zerfiel das Natrium-Kondensat zur großen Überraschung der Forscher innerhalb weniger tausendstel Sekunden.

Langlebige Kondensate mit variierbarer Wechselwirkung wurden Anfang 2000 von Cornell und Wieman mittels Rubidium-85 und einer konventionellen Magnetfalle entwickelt. Normalerweise verhindert die anziehende Wechselwirkung von Rubidium-85 ein Wachstum des Kondensats auf mehr als kümmerliche 80 Atome. Doch indem die Gruppe aus Colorado mit Hilfe der Feshbach-Resonanzen die Kräfte abstoßend machte, gelang es ihr, stabile Kondensate aus bis zu 10000 Atomen und mit einer Lebensdauer bis zu zehn Sekunden herzustellen.

Der spektakulärste Effekt trat auf, als die Gruppe die künstliche Abstoßung allmählich reduzierte. Wie theoretisch vorhergesagt, schrumpfte das große Kondensat zusammen und wurde dichter. Schließlich – etwa fünf Millisekunden, nachdem die Wechselwirkung wieder attraktiv geworden war – explodierte das Kondensat; Wieman taufte dieses Phänomen wegen seiner vagen Ähnlichkeit mit der Implosion, die explodierende Sterne antreibt, scherzhaft "Bose-Nova". Die Explosionen schleuderten ungefähr ein Drittel der Kondensat-Atome aus der Falle und ließen ein Restkondensat zurück, das von einer heißen Atomwolke umgeben war – sofern man eine Temperatur von einem zehnmillionstel Grad heiß nennen mag.

Eine mögliche Anwendung der Wechselwirkungsabstimmung in Kondensaten ist das Erzeugen spezieller Atomstrahlen, so genannter Atomlaser. Gewöhnliche Atomstrahlen finden bereits allerlei wissenschaftliche und industrielle Anwendungen, so in Atomuhren, bei der Präzisionsmessung von Naturkonstanten und bei der Produktion von Computer-Chips. Aber all diesen Strahlen mangelt es an der Intensität und Kohärenz eines Atomlasers – so wie es gewöhnlichem Licht an der Stärke und Kohärenz und somit der vielfältigen Verwendbarkeit eines Laserstrahls mangelt. Mit Kohärenz ist gemeint, dass alle Atome oder Photonen eines Strahls sich in quantenphysikalischem Gleichtakt bewegen: Die zugehörigen Wellen schwingen in Phase.

Vom Kondensat zum Atomlaser


Es dauerte Jahrzehnte, bis der Laser – 1960 lediglich ein esoterisches Experimentiergerät – zum fast allgegenwärtigen Bestandteil der Unterhaltungselektronik wurde. Einige Forscher glauben, dass dem Atomlaser in kommenden Jahrzehnten eine ähnlich vielfältige Zukunft winkt. Allerdings türmen sich gewaltige Hindernisse auf diesem hypothetischen Weg, vor allem weil Atomstrahlen – anders als Laserstrahlen – zu ihrer Fortpflanzung ein Vakuum brauchen.

Die ersten Atomlaser erzeugten ihre Pulse und Strahlen ganz anders als optische Laser; deshalb meinten manche sogar, die Bezeichnung Laser sei in diesem Fall irreführend. Im Wesentlichen ist ein Atomlaser nichts anderes als ein kohärentes und sich frei bewegendes Stück Bose-Einstein-Kondensat. Die Atome eines Kondensats werden in der Magnetfalle festgehalten, weil sie auf Grund ihres Spins selbst als winzige magnetische Dipole wirken. Wenn präzise abgestimmte Radiowellen die atomaren Spins umkippen, werden die Atome gegen das umgebende Feld immun. Diesen Effekt nutzte Ketterle 1997 am MIT, um den ersten Atomlaser zu verwirklichen. Er bestrahlte ein Natrium-Kondensat mit gepulsten Radiowellen. Die Atome mit umgeklapptem Spin fielen einfach aus der Falle heraus; so entstanden sichelförmige Kondensat-Pakete, die nur durch die Schwerkraft in Bewegung versetzt wurden.

Ende 1998 konstruierte die Gruppe von Theodor Hänsch an der Universität München ein ähnliches System, das einen kontinuierlichen Strahl aus Rubidium-Atomen emittierte (siehe Spektrum der Wissenschaft 7/2000, S. 23). Die Münchner Gruppe schätzte, dass ihr Atomstrahl mehr als eine Million Mal intensiver war als ähnliche – aber nicht-kohärente – Atomstrahlen, die mit anderen Techniken erzeugt worden waren.

Etwa zur selben Zeit bauten William D. Phillips und Steve Rolston am NIST erstmals einen Atomlaser, der nicht nur in Abwärtsrichtung funktionierte. Optische Laserpulse trieben Atome aus dem Kondensat und durch ein kreisendes Loch am Rand der Falle ins Freie. Eine exakt mit der Rotation des Lochs synchronisierte Folge von Laserpulsen schuf einen eng gebündelten und praktisch kontinuierlichen Strahl; ein Bericht sprach von einer "atomaren Strahlenkanone mit laserähnlicher Präzision".

Das "a" in Laser steht für "amplification" (Verstärkung), aber bei den bisher beschriebenen Atomlasern findet die einzige nennenswerte Verstärkung bei der anfänglichen Erzeugung der Bose-Einstein-Kondensate statt, wenn die Atome im Laufe der Kondensation "verstärkt" den gemeinsamen Quantenzustand besetzen. Eine echte Verstärkung der Atomlaser-Strahlen – eine so genannte Materiewellen-Verstärkung – gelang erst Ende 1999 einer von Ketterle und Pritchard geleiteten Gruppe am MIT sowie unabhängig davon Takahiro Kuga an der Universität Tokio.

Materiewellen-Verstärkung bedeutet keineswegs, dass der Verstärkungsvorgang aus Energie Materie erzeugt. Vielmehr wird in einem Bose-Einstein-Kondensat ein kleiner Atomlaser-Puls erzeugt, und dieser Puls wird verstärkt, wenn zusätzliche Kondensat-Atome ihrer Bose-Natur gehorchen und sich hinzugesellen. Die gleichzeitige Streuung von Licht aus einem gepumpten Laserstrahl garantiert, dass Impuls und Energie erhalten bleiben.

Dass Materiewellen-Verstärkung auf diese Weise möglich ist, erkannte die MIT-Gruppe Anfang 1999, als sie auf eines ihrer zigarrenförmigen Kondensate einen polarisierten Laserstrahl richtete; zur Überraschung der Forscher traten Atomhäufchen unter 45 Grad aus, und aus beiden Enden der "Zigarre" fielen Lichtstrahlen. Dabei handelte es sich um Streuprozesse mit einem gewissen Verstärkungseffekt; insofern glichen sie der so genannten Superradianz, einer Form von lawinenartiger Strahlungsverstärkung.

Nichtlineare Optik und gebremstes Licht


Bei diesen Prozessen verhalten die Kondensate sich ganz ähnlich wie Licht – im Gegensatz zu ihrem Verhalten als Superflüssigkeit. Ein besonders lebhaftes Forschungsgebiet war im vergangenen Jahrzehnt die nichtlineare Optik, bei der Licht mit sich selbst in Wechselwirkung tritt. Forscher an den amerikanischen Bell Laboratories haben zum Beispiel mit nichtlinearen Lichtpulsen, so genannten Solitonen, riesige Datenpakete durch Glasfasern geschickt.

Normalerweise zeigt Licht kaum Wechselwirkung mit sich selbst; daher sind extrem hohe Lichtintensitäten oder spezielle Medien nötig, um nichtlineare Effekte zu erzielen. Da die schwachen Wechselwirkungen der Atome in Kondensaten automatisch nichtlineare Effekte bewirken, sind die Bose-Einstein-Gebilde zur Untersuchung derartiger Prozesse ideal geeignet. Die klassische Vorstellung von Atomen als Teilchen, die wie winzige Murmeln zusammenstoßen, versagt völlig bei der Interpretation dieser Experimente.

Eine Bravourleistung der nichtlinearen Optik ist das enorme Verlangsamen von Licht. Im Vakuum breiten sich elektromagnetische Wellen – ob Radio-, Röntgen- und Lichtstrahlen – mit absoluter Höchstgeschwindigkeit aus: 300000 Kilometer pro Sekunde. In einem Medium pflanzt Licht sich langsamer fort: in Wasser mit ungefähr drei Viertel und in normalem Glas mit zwei Drittel der Vakuumlichtgeschwindigkeit.

Im Jahre 1999 bremste Lene Vestergard Hau vom Rowlands Institute for Science in Cambridge (Massachusetts) einen Lichtstrahl durch ein ultrakaltes und optisch modifiziertes Gas auf 17 Meter pro Sekunde ab – das Tempo eines schnellen Fahrrads. Im November 2000 berichtete Ketterles Gruppe, ein Lichtstrahl habe ein Kondensat mit einem Meter pro Sekunde, also buchstäblich im Schritttempo, durchquert. An sich ist kein Kondensat erforderlich, um solche Effekte zu erzielen, aber die enorme Kälte der kondensierten Gase schafft ideale Bedingungen dafür.

Ulf Leonhardt und Paul Piwnicki vom Königlichen Institut für Technologie in Stockholm spekulierten 1999, dass verlangsamtes Licht, das einen Wirbel in einem Kondensat streift, als Miniaturmodell für Prozesse in der Umgebung von rotierenden Schwarzen Löchern dienen könnte. Beispielsweise könnte das Licht in den Wirbelkern hineingezogen werden – insbesondere dann, wenn der Strahl sich gegen den Rotationsfluss bewegt.

In noch nicht veröffentlichten Arbeiten zeigen Peter Zoller und Ignacio Cirac von der Universität Innsbruck, dass es mit bereits heute verfügbarer Technik möglich sein sollte, Schallmodelle von Schwarzen Löchern zu bauen – das heißt solche, bei denen Schallwellen die Rolle des Lichts übernehmen. Ihren Berechnungen zufolge explodieren solche Gebilde und stoßen dabei Scharen von Schallquanten, so genannten Phononen, aus. Diese Explosionen würden das Verdampfen mikroskopisch kleiner Schwarzer Löchern simulieren, bei dem infolge von Quanteneffekten ein thermisches Teilchengemisch austritt, die so genannte Hawking-Strahlung.

In einem Artikel vom August 2000 mutmaßen Wayne Hu und seine Mitarbeiter von der Princeton University, dass die unsichtbare dunkle Materie, die offenbar rund neunzig Prozent der Masse im Universum ausmacht, in Form eines Bose-Einstein-Kondensats aus Teilchen äußerst geringer Masse existieren könnte. Falls diese kühne Hypothese zutrifft, wären die kältesten Gase im Universum zugleich die häufigsten.

Literaturhinweise


Experimental Studies of Bose-Einstein Condensation. Von Wolfgang Ketterle in: Physics Today, Bd. 52, S. 30, Dezember 1999.

Bose Condensates Make Quantum Leaps and Bounds. Von Yvan Castin et al. in: Physics World, Bd. 12, S. 37, August 1999.



Verwandte des Bose-Einstein-Kondensats

P>Die 1995 erzeugten Kondensate waren nicht die ersten Beispiele für Bose-Einstein-Kondensation. Zu ihren bereits länger bekannten Verwandten gehören:

Superflüssiges Helium. Flüssiges Helium-4 wird bei Abkühlung auf weniger als 2,2 Kelvin superfluid. Die Flüssigkeit fließt ohne jede Viskosität und bietet unter anderem das verblüffende Schauspiel des Helium-Springbrunnens (rechts). Der Grund ist, dass bei einem Teil – bis zu 10 Prozent – der Heliumatome Bose-Kondensation eintritt. Wegen des starken Zusammenhalts der Atome in der Flüssigkeit ist es kaum möglich, die Quanteneigenschaften des Kondensat-Anteils theoretisch und experimentell zu untersuchen.

Laser. Die Laserstrahlung hat viel mit einem Bose-Einstein-Kondensat gemein. In gewöhnlichem Licht – etwa dem einer Glühbirne – sind die Lichtwellen nicht synchronisiert; doch in einem Laser schwingen alle Wellen in Phase, das heißt ihre Berge und Täler stimmen exakt überein. Quantenphysikalisch ausgedrückt gehören die Lichtquanten – die Photonen – zum Teilchentyp der Bosonen, die bestrebt sind, denselben Quantenzustand einzunehmen. Der Verstärkungsprozess, der einen Laserstrahl erzeugt, macht sich diese Neigung von Bosonen zu Nutze.

Supraleiter. Die Bose-Kondensation von Elektronenpaaren liegt der Supraleitung – dem widerstandsfreien Stromfluss – zu Grunde. Da ungepaarte Elektronen nicht Bosonen sind, sondern Fermionen, können sie kein Bose-Kondensat bilden. Schwach gebundene Elektronenpaare entstehen nur unter bestimmten Bedingungen, zum Beispiel in Aluminium unterhalb von 1,2 Kelvin. Solche Paare sind Bosonen und bilden bereitwillig ein Quantenkondensat. Durch den Paarungsmechanismus und die elektrische Ladung der Paare unterscheiden Supraleiter sich stark von einem neutralen, verdünnten Kondensat. Ein ähnlicher Paarungs- und Kondensationsprozess tritt in superfluidem Helium-3 auf, dessen Atome Fermionen sind.

Exzitonen. In Halbleitern kann sich ein fehlendes Elektron wie ein positiv geladenes Teilchen – ein "Loch" – verhalten. Werden ein Loch und ein Elektron durch einen Laserpuls erzeugt, so können beide für kurze Zeit einen gemeinsamen Paarzustand bilden, ein so genanntes Exziton. Im Jahre 1993 wurde beobachtet, dass Exzitonen in einem Kupferoxid-Halbleiter ein kurzlebiges gasförmiges Kondensat bilden können.




Glossar


Fermionen sind Quantenteilchen, die ihresgleichen meiden: Zwei Fermionen können niemals am selben Ort denselben Quantenzustand einnehmen. Zu ihnen zählen Elektronen, Protonen und Neutronen.

Bosonen sind das schiere Gegenteil: Sie streben danach, sich zu möglichst vielen in demselben Quantenzustand zu versammeln. Zu ihnen gehören die Photonen (Lichtquanten). Auch zusammengesetzte Teilchen, insbesondere Atome, sind entweder Bosonen oder Fermionen. Ein Atom aus einer geraden Anzahl von Protonen, Neutronen und Elektronen ist ein Boson.

Bose-Einstein-Kondensation tritt auf, wenn eine Ansammlung von gleichartigen Bosonen genügend abgekühlt und verdichtet wird, ohne einen Festkörper zu bilden. Im Kondensat nehmen alle Bosonen ein und denselben Quantenzustand ein.


Geräte zum Kühlen und Einfangen von Atomen


Laserkühlung. Um ein gasförmiges Bose-Einstein-Kondensat zu erzeugen, muss ein verdünntes atomares Gas in einer Vakuumkammer auf extrem tiefe Temperaturen gekühlt werden. Der erste Schritt ist fast immer die Laserkühlung: Laserstrahlen bremsen die Bewegung der Atome so stark ab, dass deren Temperatur nur noch rund 50 Mikrokelvin (millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt) beträgt.

Magneto-optische Falle. Sie kombiniert Laserkühlung und Einfangen von Atomen durch Magnetfelder. Die Magnetfelder komprimieren das Gas. Oft werden zwei solche Fallen hintereinander verwendet – die erste vor allem zum Einfangen, die zweite speziell zum Kühlen der Atome.

Verdampfungskühlung. Die letzte Kühlstufe bei Experimenten an Bose-Einstein-Kondensaten ähnelt dem Abkühlen einer Tasse Kaffee: Während ein Magnetfeld die Atome zusammenhält, werden die heißesten Atome kontinuierlich entfernt, sodass immer kälteres Gas zurückbleibt. Im Gegensatz zur Laserkühlung funktioniert die Verdampfungskühlung am besten bei höheren Dichten.

TOP-Falle. Die time-averaged orbiting potential trap (Falle mit zeitlich gemitteltem kreisendem Potential), die Eric A. Cornell und Carl E. Wieman 1995 zur Erzeugung des ersten gasförmigen Kondensats verwendeten, wurde von verschiedenen Gruppen übernommen. Die Magnetspulen erzeugen ein Feld, das allerdings an einem Punkt verschwindet; von dort könnten darum Atome aus der Falle entweichen. Durch schnelles Rotieren des Feldes werden die Atome jedoch innerhalb der Kreisbahn des Lecks eingeschlossen und bilden beim Kondensieren ein Ellipsoid.

Ioffe-Pritchard-Fallen. Solche Geräte – benannt nach dem russischen Physiker M. S. Ioffe, dessen Ioffe-Falle zum Einfangen von Plasma aus geladenen Ionen diente, und David Pritchard vom MIT – erzeugen ein Einfangfeld ohne Leck. Sie sind die wichtigste Alternative zu den TOP-Fallen. Ihre Magnetfelder werden mittels Strom erzeugt, der durch vier parallele Stäbe fließt oder durch Spulen, die wie der Buchstabe D, die Nähte eines Baseballs oder vierblättrige Kleeblätter geformt sind.

Permanentmagnet-Falle. Dieser Typ von Ioffe-Pritchard-Fallen erzeugt die Felder mit Permanentmagneten. Randall G. Hulets Gruppe an der Rice University in Houston (Texas) verwendet diesen Fallentyp, um Kondensate in Lithium zu produzieren. Da die Permanentmagnete nicht ausgeschaltet werden können, lässt das Kondensat sich nur am Entstehungsort beobachten.


Der Pate des Bose-Einstein-Kondensats


Ein oder zwei Jahre nach der Erzeugung der ersten Kondensate wurde Daniel Kleppner bei Konferenzen als "Pate der Bose-Einstein-Kondensate" vorgestellt. Als deren "Vater" konnte er schließlich nicht durchgehen, denn seine eigene Gruppe hatte leider noch immer kein Kondensat erzeugt. Und doch hielt er seine väterliche Hand über dem Gebiet – als Pionier, als weiterhin aktiver Teilnehmer und als Mentor der jungen Aufsteiger, die ihm den Heiligen Gral weggeschnappt hatten.

Die drei Gruppen, die 1995 und 1996 die ersten Quantenkondensate schufen, wurden von Kleppners Schülern und deren Schülern geleitet. Wieman hatte Anfang der siebziger Jahre als Student in Kleppners Labor gearbeitet. Cornell war ein Doktorand von Pritchard, der wiederum ein Doktorand von Kleppner war. Ketterle arbeitete unter Pritchard zunächst an kalten Atomen. Hulet war Doktorand in Kleppners Gruppe, ebenso wie der Nobelpreisträger Phillips, dessen Gruppe 1998 ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugte.

Als Kleppners frühere Studenten ihre spektakulären Kondensate aus den Alkaliatomen Rubidium, Natrium und Lithium erzeugten, schlug Kleppner sich noch immer mit dem Atom seiner Wahl herum: Wasserstoff. Damit hatte er schon in den späten fünfziger Jahren als Doktorand und Postdoc an der Harvard University begonnen. Dort war er mit Norman Ramsey an der Erfindung des Wasserstoff-Masers beteiligt; dieser Verwandte des Lasers arbeitet im Mikrowellenbereich und dient unter anderem für Hochpräzisionsmessungen, zum Beispiel bei Tests der Einsteinschen Relativitätstheorie. Im Jahre 1996 zog Kleppner von der Harvard University zum MIT, wo er nun geschäftsführender Direktor am Forschungslabor für Elektronik ist.

Auf das Bose-Einstein-Thema ließ Kleppner sich um 1976 ein, als er mit so genanntem spinpolarisiertem Wasserstoff arbeitete. "Ich fand die Idee verrückt", erinnert sich Kleppner, aber ein junger Professor namens Thomas Greytak stimmte ihn um. Seitdem arbeiten die beiden zusammen.

In spinpolarisiertem Wasserstoff sind die Spins aller Atome gleich ausgerichtet; den Spin kann man sich als winzige magnetische Kompassnadel vorstellen, die jedes Atom mit sich führt. Ein derartiges Gas ist so reaktionsträge wie Helium, da zwei Wasserstoffatome exakt entgegengesetzte Spins haben müssen, um ein Molekül zu bilden. Als einziges von allen Elementen sollte diese Form von Wasserstoff bis hinab zum absoluten Nullpunkt gasförmig bleiben.

Hoffnungsvoll versuchten Kleppner und Greytak am MIT sowie Konkurrenten an der Universität Amsterdam gegen Ende der siebziger Jahre, ein Bose-Einstein-Kondensat in spinpolarisiertem Wasserstoff zu erzeugen; sie ließen sich nicht träumen, wie lange die Suche dauern würde und dass ausgerechnet Kondensate aus metallischen Atomen ihnen die Show stehlen sollten.

Auch wenn Kleppners Gruppe nicht als erste durchs Ziel lief, gelangen ihr doch mehrere ganz entscheidende Fortschritte, so 1987 der Nachweis des Verdampfungskühlens an spinpolarisiertem Wasserstoff – eine Meisterleistung, die die Alkaliatom-Gruppen erst sieben Jahre später wiederholen konnten. Bis 1991 war die Kleppner-Greytak-Gruppe bis auf einen Faktor drei an die zur Kondensation erforderliche Temperatur und Dichte herangekommen, während die Alkaliatome damals um den Faktor eine Million zurücklagen. Leider standen an diesem Punkt einige vertrackte Eigenschaften von Wasserstoff im Weg; unter anderem erwies es sich als schwierig, zum Nachweis eines Kondensats wichtige Eigenschaften des Gases zu messen. Bei den Alkaliatom-Gasen können dafür sichtbares Licht und normale Lasertechnik eingesetzt werden; doch das entsprechende Licht für Wasserstoff ist ultraviolett und erfordert viel umständlichere Methoden.

Im Juni 1998 riefen zwei von Kleppners Studenten ihn spät abends an: Er solle rasch ins Labor kommen. Endlich war ein Bose-Einstein-Kondensat in Wasserstoff beobachtet worden. Einen Monat später gab Kleppner auf einer Konferenz im italienischen Varenna den Erfolg seiner Gruppe bekannt. Die anwesenden Experten – Kollegen, Konkurrenten und frühere Studenten – feierten den stolzen Wegbereiter mit stehenden Ovationen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 2001, Seite 50
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

2 / 2001

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 2001

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  • Infos
The Bose-Einstein Condensation (BEC) Homepage -> http://amo.phy.gasou.edu/bec.html/