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Explodierende Bose-Einstein-Kondensate

Chemische Reaktionen als Ursache / Kritische Masse /  Kollisionen von drei Atomen

Von Rainer Scharf

Die Bose-Einstein-Kondensate, für deren Herstellung der  diesjährige Nobelpreis für Physik vergeben wird, werfen  noch zahlreiche Fragen auf. Die Kondensate entstehen,  wenn man Atomwolken auf einige milliardstel Kelvin  abkühlt. Die de-Broglie-Wellen der Atome schwingen dann  gewissermaßen im Gleichtakt. Bei der Erzeugung sehr  großer und dichter Kondensate stößt man jedoch auf  Hindernisse: Die Gebilde werden instabil und zerfallen so  schnell, daß für Experimente mit ihnen kaum Zeit bleibt.  Doch gerade solche Experimente sind dazu nötig, den seit  langem vermuteten Zusammenhang zwischen der  Bose-Einstein-Kondensation und der Suprafluidität von  tiefgekühltem flüssigen Helium aufklären zu können.  Wissenschaftler aus Deutschland und den Niederlanden  haben jetzt herausgefunden, warum große und dichte  Bose-Einstein-Kondensate von selbst auseinanderfliegen.

Die Forscher um Gerhard Rempe vom Max-Planck-Institut  für Quantenoptik in Garching sind zu dem Schluß  gekommen, daß chemische Reaktionen zwischen den  Atomen für deren Instabilität verantwortlich sind ("Physical  Review Letters", Bd. 87, Nr. 170404). Die bisher  untersuchten Kondensate bestanden aus Alkaliatomen wie  Rubidium oder Natrium, die außerordentlich  reaktionsfreudig sind. Zu einer chemischen Reaktion kann  es kommen, wenn drei Atome aufeinanderprallen. In einem  Kondensat geringer Dichte sind die Abstände zwischen den  Atomen so groß, daß ein solcher Dreierstoß nahezu  ausgeschlossen ist. Doch mit zunehmender Dichte wird es  immer wahrscheinlicher, daß im Zentrum des Kondensats  drei Atome miteinander kollidieren. Zwei der Atome  verbinden sich dann zu einem Molekül, das dritte Atom  nimmt einen Teil der frei werdenden Bindungsenergie auf.  Die beiden Reaktionsprodukte - das Molekül und das  Atom - fliegen daraufhin mit großer Geschwindigkeit  auseinander.

Was dann passiert, ähnelt einer nuklearen Kettenreaktion.  Sind die Masse und die Dichte des Kondensats  "unterkritisch", so können die Reaktionsprodukte schnell  genug entweichen, ohne größeren Schaden anzurichten. In  einem "überkritischen" Kondensat mit großer Masse und  Dichte stoßen die Reaktionsprodukte indes mit vielen  Atomen zusammen, wobei sich deren Bewegungsenergie  beträchtlich erhöht. Diese Atome wiederum prallen auf  weitere Atome - es kommt zu einer Kettenreaktion.  Dadurch erwärmt sich das Kondensat rasch und verdampft  innerhalb weniger Zehntelsekunden explosionsartig aus der  Magnetfalle, mit der man es anfangs festgehalten hatte.

Die Experimente der Garchinger Forscher mit extrem kalten  Wolken aus etwa einer Million Rubidiumatomen zeigen,  daß die Explosion eines überkritischen  Bose-Einstein-Kondensats während der ersten  Zehntelsekunde genauso verläuft, wie man es aufgrund der  Kettenreaktion erwarten würde. Anschließend treten noch  weitere Prozesse auf, die die Explosion beschleunigen. Zum  Beispiel wird das Kondensat von einer Wolke aus Atomen  umgeben, die daraus verdampft sind, aber noch von der  Magnetfalle festgehalten werden. Diese Atomwolke ist  wärmer als das Kondensat und beschleunigt seine  Aufheizung und damit Explosion.

Aufgrund ihrer Ergebnisse erwarten die Garchinger  Forscher, daß alle Bose-Einstein-Kondensate bei großer  Dichte instabil werden, vorausgesetzt, sie bestehen aus  Atomen, die Moleküle bilden können. Für das Edelgas  Helium trifft dies indes nicht zu. Heliumatome können sich  nicht zu Molekülen zusammenschließen. Demnach sollte es  möglich sein, Bose-Einstein-Kondensate aus Helium  herzustellen, deren Dichte so groß ist wie die von flüssigem  Helium. Kühlt man flüssiges Helium auf zwei Kelvin ab, so  geht es in eine suprafluide Form über, die viele  Gemeinsamkeiten mit den bisher untersuchten  Bose-Einstein-Kondensaten aufweist. So schwingen auch  im suprafluiden Helium die de-Broglie-Wellen der Atome  im Gleichtakt. Das hat zur Folge, daß suprafluides Helium  völlig widerstandslos fließen kann. Doch im Gegensatz zu  den bislang untersuchten gasförmigen  Bose-Einstein-Kondensaten ist suprafluides Helium eine  dichte Flüssigkeit, in der die Atome starke Kräfte  aufeinander ausüben. Wenn es gelänge, zunehmend dichtere  Bose-Einstein-Kondensate aus Helium herzustellen, ließe  sich die Entstehung von suprafluidem Helium Schritt für  Schritt beobachten. So könnte man besser verstehen,  welche Rolle die Kräfte zwischen den Heliumatomen beim  Zustandekommen der Suprafluidität spielen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 07.11.2001, Nr. 259 /  Seite N1

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