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News: Quanten-Mischmasch

Die Natur kennt zwei Gruppen von Elementarteilchen, deren fundamentaler Unterschied sich insbesondere bei sehr tiefen Temperaturen zeigt: Die einen ziehen sich zu einer Wolke zusammen, die eine bestimmte Größe jedoch nicht unterschreitet. Die anderen hingegen rücken immer näher und näher aneinander, bis sie alle auf einem Punkt konzentriert gemeinsam eine Art 'Superteilchen' bilden. Nun konnten Physiker erstmals ein Gemisch beider Teilchenarten herstellen und das unterschiedliche Verhalten beobachten.
Elementarteilchen treten in zwei Gruppen auf: Fermionen und Bosonen. Fermionen unterliegen dem Pauli-Prinzip, weshalb sich nie zwei Vertreter dieser Art im gleichen Quantenzustand befinden dürfen, also nie beliebig viele Teilchen an ein und demselben Ort aufhalten können. Elektronen, Protonen und Neutronen gehören zu dieser Art von Teilchen, aber auch die aus diesen Bausteinen zusammengesetzten Isotope Helium-3 und Lithium-6 sind zum Beispiel Mitglieder der Teilchenfamilie.

Bosonen hingegen ist es erlaubt, denselben Zustand zu besetzen: Bei sehr tiefen Temperaturen befinden sie sich alle im Grundzustand, dem Zustand niedrigster Energie, und bilden ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat. Da für Bosonen keine Beschränkung existiert, kann ein solches Kondensat auch beliebig stark schrumpfen. Zu den Bosonen gehören beispielsweise die Photonen, aber auch Isotope, die aus einer geraden Anzahl von Fermionen zusammengesetzt sind. Das gilt zum Beispiel für das Helium-4, aber auch für das Lithium-7.

Randall Hulet und seinen Kollegen von der Rice University ist es nun gelungen, ein Quantengas aus Fermionen und Bosonen herzustellen und die unterschiedliche Natur der Teilchen sichtbar zu machen. Die Forscher nutzten eine Anordnung aus sechs Magneten, um die Lithiumatome gefangen zu halten – eine magnetische Falle. Mithilfe von Lasern kühlten sie darin eine Lithium-Wolke, wobei ein Teil der Wärmeenergie auf das Laserlicht überging. Mit dieser Technik lassen sich jedoch nur Temperaturen von einem bis hundert Mikrokelvin erreichen.

Um tiefer zu kühlen, mussten die "heißesten" Atome aus ihrem magnetischen Gefängnis verdampfen – das funktioniert allerdings nur bei Bosonen, also bei Lithium-7. Der Vorgang ähnelt dem Abkühlen einer heißen Suppe: Auch hier verdampft ein Teil des Wassers, und die kältere Flüssigkeit bleibt zurück. Die Fermionen, Lithium-6, gaben hingegen ihre Wärmeenergie durch Stöße an die Bosonen ab. So erreichten die Forscher schließlich eine Temperatur von wenigen hundert Nanokelvin.

In diesem Temperaturbereich beobachtete das Team, dass die Atomwolken aus Bosonengas weiter schrumpften, während solche aus Fermionengas sich bei einer bestimmten Größe stabilisierten. Damit ließ sich der vorhergesagte Quanteneffekt deutlich erkennen.

Der Druck, den Fermi-Teilchen einer weiteren Kompression entgegensetzen, ist auch von anderer Stelle her bekannt: Weiße Zwerge – erloschene Sterne – besitzen eine extrem hohe Dichte. Ihre Atome sind fast vollständig ionisiert, und die freien Elektronen bilden ein so genanntes Elektronengas, das aufgrund des Pauli-Prinzips dem Gravitationsdruck entgegenwirkt. Erst Sterne, deren Masse größer ist als das 1,4fache der Sonne, überwinden den Druck der Teilchen und kollabieren zu Neutronensternen.

Laut Hulet und seinem Team soll auch bei den erreichten 240 Millikelvin noch nicht Schluss sein. Die Forscher möchten nun zu noch kälteren Temperaturen vorstoßen, um neue Effekte zu messen. So vermuten sie, dass sich bei ungefähr 50 Millikelvin Fermionen zu so genannten Cooperpaaren zusammenschließen – ein bizarres Quantenpärchen, das im Falle von Elektronen für das Phänomen der Supraleitung verantwortlich ist. Allerdings müsse man bei derart tiefen Temperaturen anstelle von magnetischen Fallen optische, bestehend aus fokussierten Laserstrahlen, nutzen, um die Atome gefangen zu halten.

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