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Tieftemperaturphysik: Erstes supraflüssiges Gas erzeugt?

Wei­te­rer Durch­bruch in der Quantenphysik: Bei ex­t­rem tie­fen Tempera­tu­ren lie­ßen sich Teil­chen da­zu brin­gen, wie ei­ne Su­p­ra­flüs­sig­keit reibungs­frei zu flie­ßen, de­nen dies eigent­lich nicht zu­zu­trau­en war.


In Abwandlung des bekannten Mottos einer Fernsehsendung ist der Preis in der Physik oftmals nicht heiß, sondern kalt. Wie ein Blick auf die Liste der Physiknobelpreise des letzten Jahrhunderts zeigt, wurden viele der begehrten Auszeichnungen für den Nachweis und die Deutung ungewöhnlicher Erscheinungen vergeben, die in Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen bei extrem tiefen Temperaturen auftreten.

Den Reigen preisgekrönter Arbeiten eröffnete 1911 die überraschende Entdeckung, dass Quecksilber bei nur vier Kel-vin – also vier Grad über dem absoluten Nullpunkt von -273,15 Grad Celsius – jeglichen elektrischen Widerstand verliert. Zu dieser Supraleitung gesellte sich 1938 die ebenso frappierende Erscheinung der Suprafluidität: Damals stellte sich heraus, dass Helium-4 unterhalb von zwei Kelvin reibungsfrei fließt. Als Krönung dieser Erfolgsgeschichte konnte 1995 bei Temperaturen im Bereich von einem millionstel Kelvin aus gasförmigen Alkali-Atomen ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat erzeugt werden, in dem die einzelnen Teilchen ihre Individualität aufgeben und sich zu einem einzigen großen Quantenobjekt vereinigen. All diese merkwürdigen Phänomene beruhen letztlich darauf, dass bei tiefen Temperaturen die klassische Physik ihre Geltung verliert und die Quantenmechanik das Regiment übernimmt. Während sich die Gasatome der Luft zum Beispiel bei Raumtemperatur als kleine, harte Kugeln betrachten lassen, sind sie bei ultrakalten Temperaturen über einen größeren Raumbereich verschmiert. Sie verhalten sich dann wie Wellen, deren Größe mit sinkender Temperatur zunimmt und unterhalb von einem millionstel Kelvin leicht das Zehntausendfache eines üblichen Atomdurchmessers erreicht. Sofern es nur kalt genug ist, können sich die Wellen benachbarter Gasatome daher trotz der geringen Dichte überlappen.

Was in diesem Fall passiert, hängt von der Art der Teilchen ab, genauer gesagt von deren Drehimpuls oder Spin. Die Bausteine eines Atoms – Protonen, Neutronen und Elektronen – haben nämlich alle einen halbzahligen Spin und sind damit so genannte Fermionen. Da der Gesamtspin eines Atoms aus der Summe der Spins seiner Bausteine besteht, ist ein Atom selbst ebenfalls ein Fermion, wenn es eine ungerade Zahl von Komponenten hat; im anderen Fall bezeichnet man es als Boson. Die beiden Teilchensorten verhalten sich nahe am absoluten Nullpunkt völlig verschieden. Während sich Bosonen unterhalb einer bestimmten Temperatur, die von ihrer Dichte abhängt, alle in demselben Zustand niedrigster Energie anordnen und ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat bilden, stoßen sich Fermionen bei tiefen Temperaturen immer mehr ab. Dieser so genannte Fermidruck ließ sich zwar erst vor vier Jahren in einem durch viele Tricks abgekühlten Fermionengas aus Kalium-40-Atomen direkt nachweisen. Doch schon 1925 erkannte der Schweizer Physiker Wolfgang Pauli (1900-1958) den Grund dafür: Teilchen mit halbzahligem Spin können nie denselben Quantenzustand annehmen.

Da Helium-4-Atome aus je zwei Protonen, Neutronen und Elektronen aufgebaut sind, handelt es sich umBosonen. Ihr Übergang in den supraflüssigen Zustand ist daher einfach die Folge einer teilwei-sen Bose-Einstein-Kondensation. Dass er schon bei zwei Kelvin passiert und nicht erst bei den für Gasen typischen viel tieferen Temperaturen, liegt an der größeren Dichte des flüssigen Heliums. Die Atome sind darin ziemlich eng zusammengedrängt, sodass sich ihre quantenmechanischen Wellen schon früh überlappen.

Verpaarung macht gesellig

Aus demselben Grunde tritt Supraleitung in Festkörpern bereits bei Temperaturen auf, bei denen in Gasen noch keine Quanteneffekte zu beobachten sind. Sie beruht nach gängiger Ansicht darauf, dass sich jeweils zwei Elektronen durch Kopplung mit Gitterschwingungen zu einem Paar zusammenschließen und so ein Boson bilden. Eine solche Paarbildung steckt vermutlich auch hinter der 1972 entdeckten Suprafluidität, die eine Flüssigkeit aus fermionischem Helium-3 unterhalb von etwa drei Millikelvin zeigt.

Theoretisch sollten sich auf die gleiche Weise auch verdünnte Fermionengase in den supraflüssigen Zustand überführen lassen. Deren Atome müssen dazu aber noch viel weiter abgekühlt und die Wechselwirkungen zwischen ihnen künstlich verstärkt werden. Letzteres scheint Forschern um John Thomas an der Duke-Universität in Durham (North Carolina) nun erstmals gelungen zu sein (Science, Bd. 298, S. 2179).

Bei ihrem bahnbrechenden Experiment brachten sie ein Gas aus Lithium-6-Atomen, das in einem wandlosen Behälter aus Magnetfeldern eingeschlossen war, zunächst durch Streuung von Laserstrahlen auf Temperaturen von wenigen tausendstel Kelvin. Zur weiteren Abkühlung diente eine Variante jener Verdampfungskühlung, die auch bei der Herstellung der ersten gasförmigen Bose-Einstein-Kondensate erfolgreich war. Dabei übernimmt ein starker Laserstrahl statt der Magnetfelder die Aufgabe, das Gas festzuhalten. Seine Intensität wird anschließend vorsichtig verringert, sodass die energiereichsten Atome entweichen können. Die übrigen Teilchen haben dann eine geringere mittlere Bewegungsenergie oder Temperatur – sie kühlen nach demselben Prinzip ab wie Kaffee in der Tasse durch das Verdunsten der Oberflächenmoleküle.

Bevor dieser Vorgang wiederholt werden kann, müssen die Atome allerdings wieder ins thermische Gleichgewicht kommen. Das setzt voraus, dass sie trotz des immer stärker werdenden Fermidrucks weiterhin zusammenstoßen. Um dies zu erleichtern, regten die Forscher während der Verdampfungskühlung die Hälfte aller Gasatome mit einem kurzen Radiowellenimpuls in einen anderen Spinzustand an. Dadurch erhöhten sie die Chancen für mögliche Kollisionen ohne Verletzung des Pauli-Prinzips. Um dem eigentlichen Ziel – der Ausbildung intensiver Wechselwirkungen zwischen den Atomen – näher zu kommen, wendeten Thomas und seine Mitarbeiter einen weiteren Trick an. Da Fermionen wegen ihres halbzahligen Spins grundsätzlich ein magnetisches Moment haben, lässt sich die Intensität ihrer Wechselwirkung mit einem äußeren Magnetfeld steuern. Die Forscher rechneten deshalb aus, wie stark dieses sein muss, damit sich eine Anziehungskraft zwischen den Fermionen entwickelt. Ein solches Feld schalteten sie dann während der Abkühlung ein. Diese ging dadurch sogar einfacher vonstatten, da die Fermionen wegen ihrer Anziehung häufiger zusammenstießen.

Gaswolke bildet Zigarre statt Kugel

Die spannende Frage war nun, ob die Atome wirklich so stark miteinander wechselwirkten, dass sie sich sogar vorübergehend paarten. Um das herauszufinden, entfernten die Wissenschaftler bei einer Temperatur von ungefähr 50 milliardstel Kelvin ihren imaginären Behälter. Wegen der Geometrie der Laserfalle hatte die Gaswolke zu diesem Zeitpunkt die Form einer senkrecht stehenden Zigarre. Ganz sich selbst überlassen, sollte sich diese, falls keine Wechselwirkung zwischen den Atomen bestand, innerhalb einer Millisekunde zu einem kugelförmigen Gebilde ausdehnen – genauso wie ein normales Gas bei Raumtemperatur. Das war jedoch nicht der Fall: Das tief gekühlte Fermigas verwandelte sich vielmehr in eine waagrechte Zigarre.

Diese Formänderung wäre zur Not dadurch erklärbar, dass das Magnetfeld vermehrt Kollisionen zwischen den Atomen auslöste – allerdings nur mit Hängen und Würgen. Und hier wird es interessant. Wenn man nämlich annimmt, dass ein Teil des Fermionengases durch Bildung von Zweierpaaren in einen supraflüssigen Zustand übergegangen ist, lässt sich die bevorzugt horizontale Ausdehnung gemäß einer theoretischen Studie italienischer Wissenschaftler viel besser verstehen. Eine reibungsfrei strömende Supraflüssigkeit sollte sich nämlich in der Richtung, in der sie vorher am meisten eingeengt war, am stärksten ausdehnen.

Noch ist das kein eindeutiger Beweis. Um ihn zu führen, müssten die Forscher als Nächstes versuchen, die Gaswolke in Rotation zu versetzen. Falls es sich wirklich um eine Supraflüssigkeit handelt, würde sie nicht als Ganzes rotieren. Stattdessen entstünden in ihrem Inneren mikroskopisch kleine Wirbel, die sich in einem regelmäßigen Gitter anordnen.

Mit der Möglichkeit, ein supraflüssiges Fermionengas zu erzeugen, dessen interatomare Wechselwirkung künstlich steuerbar ist, ginge ein Traum der Tieftemperaturphysiker in Erfüllung: Sie erhielten ein völlig neues Modellsystem für Vorgänge wie die mysteriöse Hochtemperatursupraleitung in bestimmten Keramiken, bei der ein noch nicht sicher bekannter Mechanismus eine so intensive Interaktion zwischen einzelnen Elektronen bewirkt, dass auch noch bei Temperaturen über hundert Kelvin Supraleitung auftritt. Mit diesem Testsystem ließen sich außerdem Supraflüssigkeiten und vielleicht sogar Neutronensterne, die nur durch den Fermidruck vor dem Kollaps zum Schwarzen Loch bewahrt werden, im Labor genauer ergründen.

Aber auch das bloße Erzeugen eines ultrakalten Gases aus intensiv wechselwirkenden Fermionen stellt bereits einen Durchbruch dar. Eines macht es in jedem Fall deutlich: Die Jagd nach ultrakalten Gasen verspricht auch in diesem Jahrhundert wieder heiße Preise – den ersten gab es schon 2001 für die anfangs erwähnte Herstellung des ersten gasförmigen Bose-Einstein-Kondensats.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 2003, Seite 12
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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