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News: Atomhochzeit

In der Nähe des absoluten Nullpunkts zeigt Materie besondere Eigenschaften. Moleküle haben sich dabei allerdings bislang als wenig dankbares Forschungsobjekt erwiesen. Das könnte sich in Zukunft aber ändern.
Coole MoleküleLaden...
Atome lassen sich in zwei Lager aufteilen: Fermionen und Bosonen. Während sich Bosonen in beliebiger Zahl zusammenrotten können, ist das Fermionen selbst bei Temperaturen um den absoluten Nullpunkt verboten. Zu den bekannteren Bosonen gehören beispielsweise die Photonen, die Lichtteilchen. Neutronen, Protonen und Elektronen, die Bausteine eines Atoms, gehören hingegen zum Lager der Fermionen. Doch längst nicht jedes Atom ist damit auch ein Mitglied dieser Gruppe. Es kommt vielmehr darauf an, aus wie vielen Fermionen es besteht. Ist die Zahl ungerade, so gehört es zum Lager der Einzelgänger, ist sie hingegen gerade, so wechselt das ganze Konglomerat seine Gruppenzugehörigkeit und sucht fortan als Boson die Gemeinschaft.

Kalium-40 ist aufgrund seiner 19 Protonen, 21 Neutronen und 19 Elektronen ein Fermion. Als Pärchen sollte das Element jedoch bosonische Neigungen entwickeln und dies durch entsprechendes Verhalten auch zeigen. Suprafluid müssten sich die Paare zum Beispiel bewegen, dass heißt, ohne Widerstand fließen. Doch wie bringt man Atome bei tiefen Temperaturen zusammen?

Cindy Regal und ihre Kollegen von der University of Colorado und dem National Institute of Standards and Technology in Boulder haben einen Weg gefunden [1]: Zunächst kühlten die Physiker ein Gas aus Kaliumatomen auf Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts ab – auf 150 Nanokelvin, um genau zu sein. Anschließend legten die Forscher ein Magnetfeld an, wobei die Stärke des Feldes gerade so gewählt war, dass sich ein schwach gebundener Zustand von je zwei Atomen ergab, die so genannte Feshbach-Resonanz.

Zum Erstaunen der Forscher fanden sich offenbar recht viele Atome zu Paaren zusammen: Rund eine Viertelmillion oder, anders ausgedrückt, genau die Hälfte aller Atome bildete Zweier-Moleküle. "Unser Experiment erzeugte die niedrigste molekulare Bindungsenergie, die jemals gemessen wurde", freut sich Deborah Jin. Und für diese Paare gilt dann, da sie ja Bosonen sind, nicht mehr das eherne Pauli'sche Ausschließungsprinzip, nachdem sich keine zwei Teilchen in dem gleichen Quantenzustand befinden dürfen – die physikalische Formulierung für das atomare Versammlungsverbot. Ob sich allerdings alle Bosonen tatsächlich im tiefst möglichen Energiezustand befinden und somit ein molekulares Bose-Einstein-Kondensat bilden, lässt sich derzeit noch genauso wenig sagen, wie sich die Frage nach der Suprafluidität beantworten lässt.

Paul Julienne vom National Institute of Standards kommentiert die Arbeit dementsprechend vorsichtig optimistisch [2]: "Eine neue Ära der Wissenschaft ultrakalter molekularer Gase steht uns nun vielleicht bevor." Indes, viel sei noch zu tun. Immerhin, die ungewöhnliche Materieform könnte – mal wieder – für äußerst präzise Zeitmessungen und den Quantencomputer von Nutze sein.

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