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Kalte Atome in heißersehntem Zustand

Fermionische Kondensate könnten den Weg zu Supraleitern bei Zimmertemperatur ebnen

Von Rainer Scharf
 
Wenn Atome auf sehr tiefe Temperaturen abgekühlt werden, zeigen sie ihr wahres Wesen: Sie erweisen sich entweder als gesellige Bosonen oder als einzelgängerische Fermionen. Bei weiterer Kühlung schließen sich die bosonischen Atome zu einem Kollektiv zusammen, in dem sie alle denselben quantenmechanischen Zustand haben. Sie bilden ein Bose-Einstein-Kondensat, das einer Supraflüssigkeit ähnelt. Jetzt haben amerikanische Forscher auch aus extrem kalten fermionischen Atomen ein Kondensat hergestellt. Dieses erinnert an einen Supraleiter.

Das Ausgangsmaterial für den neuartigen Materiezustand waren eine halbe Million fermionische Kalium-40-Atome. Deborah Jin und ihre Mitarbeiter von der Universität von Colorado in Boulder haben diese Atome in einer magneto-optischen Falle festgehalten und auf eine Temperatur von weniger als 50 milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. In der engen Falle gingen die fermionischen Kaliumatome einander aus dem Weg und wahrten ihre Individualität: Keine zwei Atome befanden sich im selben quantenmechanischen Zustand.

Doch auch fermionische Atome können gesellig werden, wenn sie sich erst einmal paarweise nahegekommen sind. So sind Moleküle, die aus zwei gleichen fermionischen Atomen bestehen, gesellige Bosonen, die ihrerseits ein Kondensat bilden können. Im vergangenen Jahr haben die Forscher um Deborah Jin sowie zwei weitere Gruppen solche molekularen Bose-Einstein-Kondensate hergestellt. Da die extrem kalten Atome nicht genug Energie für eine chemische Reaktion hatten, mußten die Forscher nachhelfen. Sie setzten die Atome einem wohldosierten Magnetfeld aus, das sich langsam änderte und dabei den Atomen über die Energiehürde half. Am Ende hatten sich fast 90 Prozent der Atome zu Molekülen verbunden, die sich nach einer Weile in einem Bose-Einstein-Kondensat sammelten.

Von den Supraleitern her kennt man jedoch noch eine weitere Möglichkeit, wie sich fermionische Teilchen zu bosonischen Paaren verbinden und anschließend kondensieren können. Supraleiter setzen elektrischen Strömen keinerlei Widerstand entgegen, da sich in ihnen die Elektronen völlig reibungsfrei bewegen können. Die Elektronen, die ebenfalls Fermionen sind, ziehen sich im Supraleiter an und bilden locker gebundene Paare. Diese sogenannten Cooper-Paare sind Bosonen, die bei tiefen Temperaturen ein Kondensat bilden. Zahlreiche Forschergruppen hatten bisher vergebens versucht, auch fermionische Atome zu Paaren zu verknüpfen, die den elektronischen Cooper-Paaren entsprechen, und aus ihnen ein Kondensat herzustellen. Deborah Jin und ihren Mitarbeitern scheint dies jetzt gelungen zu sein ("Physical Review Letters", Bd. 92, Nr. 040403).

Zunächst haben sie das Magnetfeld, dem die kalten Kaliumatome in der magneto-optischen Falle ausgesetzt waren, so bemessen, daß sich die Atome anzogen und Paare bildeten, ohne daß dabei Moleküle entstehen konnten. Ließ man den bosonischen Atompaaren genügend Zeit, bildeten sie tatsächlich ein Kondensat. Dieses haben die Forscher indirekt nachgewiesen, indem sie das Magnetfeld plötzlich so stark verringerten, daß sich Moleküle formen konnten. Da die schon gepaarten Atome nicht lange nach Bindungspartnern suchen mußten, entstanden sogleich Moleküle in großer Zahl. Wie sich zeigte, mußten die Moleküle auch nicht mehr kondensieren: Das molekulare Bose-Einstein-Kondensat lag sofort vor. Es war offenbar direkt aus dem fermionischen Kondensat der Atome entstanden.

Die große Ähnlichkeit des fermionischen Atomkondensats mit einem Supraleiter könnte auch Licht auf die nach wie vor rätselhaften Hochtemperatur-Supraleiter werfen. Die Temperatur, bei der ein Material noch supraleitend ist, ist um so höher, je stärker sich die Elektronen eines Cooper-Paares anziehen. Deshalb sucht man unter anderem nach Substanzen, bei denen diese Anziehungskräfte möglichst stark sind. Fermionische Kondensate aus Atomen eröffnen hier eine Möglichkeit, die Anziehungskräfte maßzuschneidern. Vielleicht lassen sich auf diesem Wege Supraleiter entwickeln, die ihre ungewöhnlichen Eigenschaften auch bei Zimmertemperatur behalten. 

Text: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 04.02.2004, Nr. 29 / Seite N1

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