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Atomares Gas unter Druck

Bose-Einstein-Kondensat als Kühlflüssigkeit / Quantenzustand aus Fermionen und Bosonen

Von Rainer Scharf

Wenn man ein extrem verdünntes Gas stark genug kühlt, wird es in einen Zustand übergeführt, der sich nur mit der Quantenphysik beschreiben läßt. Bei einer Temperatur von weniger als einem millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt verhalten sich die Atome wie ausgedehnte Materiewellen-Pakete, die sich gegenseitig durchdringen. Die Eigenschaften eines solchen Quantenkondensats hängen davon ab, ob die Teilchen zur Teilchenfamilie der "geselligen" Bosonen gehören, die einander möglichst nahe sein wollen, oder ob sie zu den "einzelgängerischen" Fermionen zählen, die einander meiden.

In den vergangenen Jahren haben die Atomphysiker Gase aus bosonischen Rubidium-, Natrium-, Wasserstoff- und zuletzt auch aus Heliumatomen (siehe F.A.Z. vom 4. April 2001) in einen Zustand gebracht, den man als Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet. Bei tiefen Temperaturen halten sich die Atome bevorzugt in ein und demselben Quantenzustand auf. Dadurch schwingen die Materiewellen der Atome gewissermaßen im Gleichtakt. Der Nachweis eines fermionischen Kondensates, das sich von einem Bose-Einstein-Kondensat deutlich unterscheidet, ist erstmals vor zwei Jahren mit Kaliumatomen gelungen. In einem solchen System besetzt jedes Atom einen eigenen Quantenzustand. Jetzt haben Wissenschaftler von der Rice University in Houston/Texas einen Zustand geschaffen, in dem beide Kondensattypen verwirklicht sind.

Die Forscher um Randall Hulet haben für ihre Experimente ein Gemisch aus Lithium-6 und Lithium-7 verwendet. Die Lithium-7-Atome verhalten sich wie Fermionen, weil sie jeweils aus einer geraden Zahl von Materiebausteinen - vier Neutronen, drei Protonen und drei Elektronen - bestehen. Die Lithium-6-Atome gehören zu den Fermionen. Sie setzen sich aus einer ungeraden Zahl von Bausteinen zusammen: drei Neutronen, drei Protonen und drei Elektronen. Zwei identische Fermionen können sich weder am selben Ort befinden, noch dürfen sie mit der gleichen Geschwindigkeit in dieselbe Richtung fliegen. Deshalb lassen sich fermionische Atome nicht wie die bosonischen in großer Zahl in ein und denselben Zustand überführen, wie es zum Beispiel bei der Bose-Einstein-Kondensation der Fall ist.

Für ihre Versuche mußten die Forscher erst ein neuartiges Kühlverfahren entwickeln. Zunächst haben sie einige Milliarden Lithium-7-Atome und einige Millionen Lithium-6-Atome in einer sogenannten magnetooptischen Falle eingefangen. Dort wurden die Teilchen mit Magnetfeldern und Laserstrahlen festgehalten und auf eine Temperatur von knapp ein tausendstel Kelvin vorgekühlt. Anschließend schaltete man das Laserlicht ab. Dabei entwichen vor allem die "heißen", energiereichen Lithium-7-Atome, die nur schwach vom Magnetfeld festgehalten wurden. Die zurückgebliebenen, langsamen Teilchen sollten sich nun weiter abkühlen.

Während sich mit dieser Verdampfungskühlung die Temperatur bosonischer Atome auf ein zehnmillionstel Kelvin senken läßt, stößt man bei fermionischen Atomen auf eine grundlegende Schwierigkeit. Die noch in der Falle befindlichen Teilchen müssen miteinander kollidieren und Energie austauschen, damit sie weiter abkühlen können. Doch die fermionische Natur der Lithium-6-Atome verhindert, daß diese sich zu nahe kommen und zusammenstoßen. Das Hindernis umgingen die Wissenschaftler mit einem Trick. Sie verwendeten die Bosonen als "Kühlmittel". Die Lithium-7-Atome können nämlich auch bei tiefen Temperaturen mit den Fermionen kollidieren.

Den Wissenschaftlern ist es dadurch gelungen, die Temperatur der Gaswolke auf weniger als ein millionstel Kelvin zu verringern. Bei dieser Temperatur setzte die Bose-Einstein-Kondensation ein. Die Lithium-7-Atome sammelten sich in der Fallenmitte, wo sie eine kompakte, etwa einen halben Millimeter große Wolke bildeten. Diese wurde bei weiterer Kühlung rasch kleiner. Auch die fermionischen Lithium-Atome plazierten sich in der Fallenmitte. Die Wolke war aber von diffuser Gestalt und schrumpfte bei weiterer Kühlung nur wenig.

Während die bosonischen Atome alle denselben Quantenzustand mit der geringstmöglichen Energie einnehmen konnten und sich im Zentrum der Falle sammelten, mußten die fermionischen Atome unterschiedliche Quantenzustände besetzen und hatten deshalb deutlich höhere Energien. In der fermionischen Wolke herrschte ein sogenannter Fermi-Druck, der die Atome auch bei noch so tiefer Temperatur daran hinderte, sich im Zentrum der Falle zu sammeln ("Science", Bd. 291, S. 2570).

Die Forscher haben die Lithium-6-Atome sichtbar gemacht, indem sie die gesamte Atomwolke mit Laserlicht bestrahlten. Die Frequenz der Strahlung wurde so gewählt, daß sie nur von den Lithium-7-Atomen absorbiert werden konnte. Die getroffenen Atome erhitzten sich und verdampften. Zurück blieben nur noch die fermionischen Lithium-Atome.

Die amerikanischen Wissenschaftler vermuten, daß bei noch tieferen Temperaturen die fermionische und die bosonische Atomwolke einander meiden und sich sogar voneinander trennen. Ähnliches hat man schon bei Gemischen aus flüssigem Helium-3 und Helium-4 beobachtet. Darüber hinaus könnte sich in der fermionischen Wolke ein neuartiger Quantenzustand bilden, der jenem sogenannter Cooper-Paaren in Supraleitern ähnelt. Dabei handelt es sich um Paare von Elektronen, die ihre gegenseitige elektrostatische Abstoßung überwunden haben. Sollte es zu Paarbildung in dem Quantengas kommen, müßten die fermionischen Lithium-6-Atome ihre Bewegungen aufeinander abstimmen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 18.04.2001, Nr. 90 / Seite N1

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