Hintergrund 

Eine eisige Falle für Teilchen

Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl E. Wieman erhalten für die Bose-Einstein-Kondensation den Nobelpreis für Physik

Von Rainer Scharf

Im Jahr 1924 erhielt Albert Einstein von dem jungen indischen Physiker Satyendra Nat Bose einen wissenschaftlichen Aufsatz zugeschickt, in dem die berühmte Plancksche Strahlungsformel auf ungewöhnliche Weise hergeleitet wurde. Bose nahm an, daß die von Einstein postulierten Lichtteilchen oder Photonen ein Gas bilden, in dem sich diese Partikeln unabhängig voneinander auf die Zustände verteilen, die ihnen von der Quantenmechanik zugewiesen werden. Daraus leitete Bose den universell gültigen Zusammenhang zwischen der Intensität der Lichtstrahlung und ihrer Temperatur und Wellenlänge her.

Einstein erkannte sogleich die Bedeutung dieser Arbeit, die er übersetzte und in der Zeitschrift für Physik erscheinen ließ. Daraufhin wandte er Boses Überlegungen auf Gase aus Atomen und Molekülen an und kam zu dem Schluß, daß diese Gase bei Abkühlung ein seltsames Verhalten zeigen sollten. Unterhalb einer bestimmten Temperatur sollte ein stetig wachsender Teil der Partikeln in demjenigen Quantenzustand "kondensieren", der die niedrigst mögliche Energie besitzt. Während die herkömmliche Kondensation von Gasen durch die Anziehungskraft zwischen den Atomen oder Molekülen verursacht wird, spielt diese Kraft bei der sogenannten Bose-Einstein-Kondensation, für deren Erzeugung in diesem Jahr drei Physiker den Nobelpreis erhalten, keine Rolle. Sie ist eine ausschließliche Folge quantenmechanischer Gesetze. Bei der Untersuchung von flüssigem Helium, das unterhalb einer Temperatur von zwei Kelvin supraflüssig wird, glaubte man Anzeichen einer Bose-Einstein-Kondensation zu erkennen. Doch die starken Kräfte zwischen den Heliumatomen ließen keine eindeutigen Schlüsse zu.

Erst im Juni 1995 gelang es Eric A. Cornell und Carl E. Wieman sowie ihren Mitarbeitern am National Institute of Standards and Technology (Nist) in Boulder (Colorado), zweifelsfrei ein Bose-Einstein-Kondensat herzustellen. Für die Arbeit werden die beiden Forscher in diesem Jahr mit dem Physik-Nobelpreis geehrt. Sie kühlten damals eine Gaswolke aus Rubidiumatomen auf weniger als 170 Milliardstel Kelvin ab. Bei dieser tiefen Temperatur bewegten sich die Atome sehr langsam, und ihre De-Broglie-Wellenlänge war so groß, daß sich viele Atome in der Wolke überdeckten. So konnten die Atome ihr quantenmechanisches Verhalten miteinander abstimmen, ohne einander zu nahe zu kommen, was leicht zu einer herkömmlichen Kondensation der Gaswolke geführt hätte. Nur wenige Monate später schafften es auch Wolfgang Ketterle - der dritte Forscher, dem der diesjährige Nobelpreis zuerkannt worden ist - und seine Mitarbeiter vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, ein Bose-Einstein-Kondensat - diesmal aus Natriumatomen - zu erzeugen.

Die größte Schwierigkeit bestand darin, die Atome auf die nötigen - bis dahin unerreicht tiefen - Temperaturen abzukühlen. Dazu haben die Forscher in Boulder und in Cambridge die Atome mit sogenannten Magnetfallen festgehalten und zunächst mit Laserlicht gekühlt. Um noch tiefere Temperaturen zu erreichen, mußten die jetzt ausgezeichneten Forscher einen Teil der Atome aus der Magnetfalle verdampfen lassen. Die zurückbleibenden Atome hatten schließlich so wenig Bewegungsenergie, daß sich ein Bose-Einstein-Kondensat bildete. Als die Forscher die Magnetfalle abschalteten, sahen sie dieses Kondensat als gasförmiges Wölkchen, das nur ganz langsam auseinanderflog.

Die von Wolfgang Ketterle entwickelte Falle erlaubte es, hundertmal so viele Atome in ein Bose-Einstein-Kondensat zu überführen als bei den Experimenten am Nist. Damit wurden neuartige Untersuchungen atomarer Eigenschaften möglich. Zwar meinte Wolfgang Ketterle noch 1996, daß man bei den Untersuchungen der Bose-Einstein-Kondensate nichts wirklich Neues gelernt habe. Zu genau stimmten die experimentellen Ergebnisse mit den Vorhersagen der Quantentheorie überein.

Inzwischen hat sich allerdings viel getan. So konnte man in Cambridge, aber auch in Boulder und an der Universität München einen Teil der Atome kontrolliert aus dem Kondensat entweichen lassen und auf diese Weise einen Atomlaser herstellen. In dessen Strahl schwingen die De-Broglie-Wellen der Atome unisono, so wie die Lichtwellen in einem Laserstrahl. Mit Hilfe des Atomlasers wird sich die Genauigkeit von Atomuhren noch beträchtlich steigern lassen. In anderen Experimenten wurden zwei Kondensate zur Überlagerung gebracht und die dabei entstehenden quantenmechanischen Interferenzen direkt beobachtbar gemacht. Die Erzeugung der Bose-Einstein-Kondensation hat unabsehbare Konsequenzen für die Atomphysik, für die Erforschung der kondensierten Materie, aber auch für die Entwicklung neuartiger Strahlungsquellen. 

Eric A. Cornell ist am 19. Dezember 1961 in Palo Alto (Kalifornien) geboren worden. Er ist am Jila, dem früheren Joint Institute for Laboratory Astrophysics, und am National Institute of Standards and Technology in Boulder (Colorado) beschäftigt.

Wolfgang Ketterle ist am 21. Oktober 1957 in Heidelberg geboren worden. Promoviert wurde er 1986 an der Ludwig-Maximilians-Universität München und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Er ist Professor am Massachusetts Institute of Technology.

Carl E. Wieman ist am 26. März 1951 in Corvallis (Oregon) geboren worden. Er ist Professor an der University of Colorado in Boulder.

Bekanntgabe der Preisträger durch die Nobel Foundation

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 10.10.2001, Nr. 235 / Seite 47

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