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News: Einseitiges Gas

Erst Zigarre, dann Ellipse - einen dramatischen Formwandel beobachteten Forscher bei einer stark abgekühlten Gaswolke. Und sie sind sich gar nicht so sicher, was da eigentlich im Gas vorgefallen ist.
Supraflüssigkeit
Supraflüssigkeiten sind die flüssigen Ebenbilder von Supraleitern. So wie in diesen Materialien bei sehr tiefen Temperaturen der Strom ohne elektrischen Widerstand fließt, verlieren Supraflüssigkeit jede Viskosität und strömen selbst in engsten Röhren ohne Reibung hindurch. Würde man ein Becherglas davon auf einen Tisch stellen, dann würde die Flüssigkeit von sich aus die Becherwand hoch fließen und sich auf dem Tisch verteilen. Allerdings ließ sich dieser geheimnisvolle Zustand bisher nur bei Helium und Wasserstoff nachweisen.

Deswegen fahnden Forscher auf der ganzen Welt nach weiteren Materialien, die unter extremen Bedingungen, "superflüssig" werden. So auch Kenneth O´Hara und seine Kollegen von der Duke University im amerikanischen Durham. Sie nahmen sich gleich eines ganz widerspenstigen Exemplars an - einem Gas aus Lithium-6-Atomen.

Widerspenstig ist dieses Gas insofern, da sich seine Atome nicht beliebig nahe zusammenbringen lassen. Denn es handelt sich bei ihnen um Fermionen, und diese Teilchen müssen aufgrund der Quantenmechanik einen gewissen "Sicherheitsabstand" wahren.

Deswegen lassen sich Lithium-6-Atome normalerweise nicht sehr dicht zusammenpacken. Das ist aber eine notwendige Bedingung für eine Supraflüssigkeit. Doch O´Hara und seine Kollegen konnten die Fermionen austricksen. Denn der Spin der Atome – anschaulich ihre Eigendrehungen – kann in zwei entgegengesetzte Richtungen weisen. Und sofern sich zwei Fermionen zumindest in einer Eigenschaft voneinander unterscheiden, können sie sich sehr wohl nahe kommen. Das bedeutet wiederum, dass sich zwei Atome mit unterschiedlichem Spin mit Hilfe eines Magnetfeldes sehr dicht zusammenpacken lassen.

O´Hara und seine Kollegen nutzten genau diese Eigenschaft aus, indem sie die Lithium-Atome in einer Vakuum-Kammer mit zwei unterschiedlichen Spins im Verhältnis eins zu eins mischten, sodass jedes Teilchen einen Partner hatte. Dann komprimierten sie das Gas mit Hilfe einer Laser-Falle in eine sehr dichte zigarrenförmige Wolke mit einem Durchmesser von weniger als einem viertel Mikrometer und setzten die Atome einem Magnetfeld aus.

Schließlich verpassten sie den Atomen den letzten Schliff. Sie kühlten sie auf eine Temperatur von gerade einmal 50 Nanokelvin. "Das sind die niedrigsten Temperaturen, die sich jemals in einem Fermi-System erreichen ließen", meint John Thomas von der Duke University.

Als die Forscher dann die Laser-Falle ausschalteten, erlebten sie eine Überraschung. Normalerweise hätte sich das Gas gleichmäßig in alle Richtungen ausbreiten müssen. "Das neue Gas verhält sich dagegen vollkommen anders", berichtet Thomas. "In der Richtung, in der die Wolke am stärksten gebündelt ist, explodiert sie förmlich. In der anderen Richtung bewegt sie sich überhaupt nicht." Aus einer Zigarre wurde eine längliche Ellipse, deren Hauptachse genau senkrecht zur Achse der ursprünglichen Form gerichtet war. Das Gas diffundierte nicht einfach, sondern breitete sich ganz gezielt in einer bestimmten Richtung aus.

"Das ist sehr seltsam und wurde in so einem System bisher noch nie beobachtet", meint Thomas. Und es könnte ein Zeichen für Suprafluidität sein. Zumindest sagen Theoretiker von der Universita' di Trento ein solches Verhalten für superflüssiges Fermi-Gas voraus.

O`Hara und seine Kollegen sind dennoch vorsichtig. Zwar halten sie Suprafluidität für die plausibelste Erklärung, aber die einseitige Expansion des Gases könnte auch auf Kollisionen der Atome innerhalb der Gaswolke zurückzuführen sein. Superflüssig oder nicht? Die Auflösung wird mit Spannung erwartet.

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