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News: Bose-Einstein-Kondensation für Fortgeschrittene

Physiker sind stets auf der Suche nach exotischen Materiezuständen, die meist nur bei extrem hohen oder niedrigen Temperaturen ihre ungewöhnlichen Eigenschaften offenbaren. Amerikanischen Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, einen neuen Materiezustand zu erzeugen, bei dem es sich auf den ersten Blick um das 'altbekannte' Bose-Einstein-Kondensat handelt - mit einem entscheidenden Unterschied: Erstmals verwendeten die Physiker Fermionen statt Bosonen.
Bereits 1995 hatte eine Arbeitsgruppe um Eric Cornell vom National Institute of Standards and Technology einen neuen Zustand der Materie erzeugt, indem sie Helium fast bis auf den absoluten Temperaturnullpunkt abkühlten. Das Ergebnis war das bereits in den zwanziger Jahren von Satyendra Bose und Albert Einstein vorhergesagte Bose-Einstein-Kondensat. Bei den verwendeten Helium-Atomen handelt es sich um bosonische Atome, die einen ganzzahligen Gesamtspin besitzen, der sich aus den Einzelspins ihrer Bestandteile, den Elektronen, Protonen und Neutronen zusammensetzt, die halbzahligen Spin besitzen. Bosonen und Fermionen verhalten sich bei großer Teilchendichte völlig unterschiedlich. Während Bosonen – wie etwa die Photonen – sich alle im gleichen Zustand befinden können, existieren für die Fermionen gewisse Beschränkungen, die als das Paulische Ausschließungsprinzip bekannt sind. Danach müssen sich etwa Elektronen in einem Atom mindestens in einer ihrer sogenannten Quantenzahlen unterscheiden.

Da Fermionen allgegenwärtig sind und eine entscheidende Rolle bei so verschiedenen Systemen wie Atomen, Atomkernen, Metallen bis hin zu Weißen Zwergsternen und Neutronensternen spielen, interessieren sich die Physiker besonders für ihre statistischen Eigenschaften. Die Schwierigkeit bei der direkten Untersuchung der quantenmechanischen Statistiken der Fermionen besteht jedoch darin, daß fermionische Systeme üblicherweise sehr dicht sind und stark wechselwirken. Sie in "Reinkultur" zu untersuchen, erfordert deshalb besondere experimentelle Anstrengungen, an denen die Physiker bislang gescheitert waren.

Für ihr Experiment (Nature vom 10. September 1999) verwendeten Deborah Jin und Brian DeMarco vom Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) in Boulder, Colorado, Kalium-Atome, die halbzahligen Gesamtspin tragen. Mit Laserkühlung wurden diese in einer magnetischen Falle bis auf ein Drittel eines Millionstel Grades über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius) abgekühlt. Dann ist das Gas quantenmechanisch "entartet" und die Atome verhalten sich nicht mehr wie punktartige Teilchen, sondern eher wie Wellen. Alle Atome "überlappen" sich dabei und schließen sich so zu einem einzigen System zusammen. Bosonen bilden unter solchen Bedingungen das Einstein-Bose-Kondensat, in dem die Atome im Gleichtakt schwingen und so eine Art Riesenatom bilden. Bei den aktuellen Versuchen mit den fermionischen Kalium-Atomen fanden die Forscher, wie vorhergesagt, daß diese sich gegenseitig ausweichen, was in einer Überschußenergie im Gas resultiert.

Die Physiker sind von der großen Bedeutung dieses Experiments überzeugt. "Die Herstellung eines entarteten Fermi-Gas ist eine große wissenschaftliche Errungenschaft und eine Menge Wissenschaftler haben es versucht, seit wir das Einstein-Bose-Kondensat erzeugt haben", sagt Carl Wieman, Physiker an der University of Colorado in Boulder. Von besonderer Bedeutung könnten die neuen Ergebnisse für zukünftige Atomuhren und für die Physik neuartiger elektronischer Bauteile haben.

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