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News: Wenn sich Materie als Welle zeigt

In einem Experiment mit Atomlasern ist es jetzt Münchner Physikern gelungen, die besonderen Quanteneigenschaften von Bose-Einstein-Kondensaten zu enthüllen. Dies ist ein weiterer Schritt, mit dem die Gesetze der Quantenmechanik experimenteller Beobachtung zugänglich gemacht werden.
Die Verwirklichung der Bose-Einstein-Kondensation in Atomgasen vor fünf Jahren hat eine stürmische Entwicklung bei der Erforschung dieser einzigartigen Quantensysteme ausgelöst. Für Albert Einstein (1879-1955) und den indischen Physiker Satyendra Nath Bose (1894-1974) war dieser Zustand der Materie Anfang der zwanziger Jahre nur ein "Gedanken-Experiment" – die dafür notwendigen tiefen Temperaturen waren in jener Zeit technisch nicht erreichbar. Einstein und Bose sagten voraus, daß eine bis knapp über dem Absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) abgekühlte Gaswolke plötzlich ihren Zustand ändert. Die bis dahin mit höchst unterschiedlichen Geschwindigkeiten durcheinander fliegenden Atome drängen sich auf dem niedrigsten Energieniveau zu einer Einheit zusammen – dem Bose-Einstein-Kondensat.

In diesem Zustand verlieren die Atome ihre Eigenständigkeit und verhalten sich wie ein einziges quantenmechanisches Objekt. Bose-Einstein-Kondensate eröffnen ein neues, makroskopisches Fenster für die sonst schwer zugängliche Welt der Quantenmechanik. Sie stellen – neben den bisherigen vier Aggregatzuständen der Materie (fest, flüssig, gasförmig, Plasma) – eine neue Form der Materie dar.

In Experimenten mit Bose-Einstein-Kondensaten konnten bereits eine Vielzahl von Phänomenen erforscht werden, die weit über die Vorhersagen von S.N. Bose und A. Einstein hinausgehen. So ist es auch gelungen, kohärente Materiestrahlen zu erzeugen, die ähnliche Eigenschaften wie optische Laserstrahlen haben. Ein solcher Atomlaser konnte 1997 von einer amerikanischen Forschergruppe erstmals in gepulstem Betrieb demonstriert werden. Der erste Atomlaser, der einen zusammenhängenden Strahl aussendet, wurde von der Münchner Physikergruppe des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Universität München im Frühjahr 1999 verwirklicht.

Die Physiker Immanuel Bloch, Theodor W. Hänsch und Tilman Esslinger am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und an der Ludwig-Maximilians-Universität haben jetzt eine neuartige Interferenzmethode verwendet, um die dramatischen Änderungen der Materie beim Übergang zum Bose-Einstein-Kondensat sichtbar zu machen. In dem Experiment wird ein aus Rubidiumatomen bestehendes Gas in einem Gefäß gekühlt, in dem magnetische Kräfte die Atome am Entweichen hindern. Von zwei verschiedenen Orten dieser "magnetischen Falle" können mit Radiowellen Materiestrahlen ausgesendet und zur Überlagerung gebracht werden (Nature vom 13. Januar 2000).

Ist das gefangene Gas nicht kondensiert, so ergibt sich die Dichte des ausgehenden Atomstrahls als Summe der einzelnen Strahlen (Bild links). Liegt im gefangenen Gas jedoch ein Bose-Einstein-Kondensat vor, so kann eine Interferenzstruktur mit Wellen-Bergen oder -Tälern in der ausgesandten Dichteverteilung beobachtet werden (Bild rechts). Ähnlich wie kohärentes Laserlicht können sich die Materiewellenstrahlen verstärken oder auslöschen.

Diese Messungen der Münchner Physiker wurden für verschiedene Temperaturen (wenige milliardstel Grad über dem Absoluten Nullpunkt) des Gases (etwa vier Millionen Atome) und für verschiedene Abstände der Quellorte der Materiestrahlen durchgeführt. Die quantitative Analyse des Interferenzmusters zeigt die fundamentale Änderung der Materieeigenschaften beim quantenmechanischen Phasenübergang zum Bose-Einstein-Kondensat. Dabei stellt sich eine langreichweitige Ordnung ein, die das einheitliche Verhalten der Atome über den gesamten Bereich des Kondensates erklärt und Grundlage für makroskopische Quantenphänome, wie der Supraleitung und der Suprafluidität, ist. Fünfzig Jahre nach der theoretischen Voraussage konnte damit diese quantenmechanische langreichweitige Ordnung nun zum ersten Mal quantitativ bestimmt werden.

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