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F.A.Z. v. 22.9.1999

Atomares Gas in neuartigem Quantenzustand

Experiment mit tiefgekühlten Kaliumatomen / Aussicht auf genauere Atomuhren / Von Rainer Scharf

Wenn man Gase stark genug abkühlt, verwandeln sie sich in Flüssigkeiten. Bei einem extrem verdünnten Gas, dessen Atome nur selten kollidieren und aneinander haften bleiben, verzögert sich die Verflüssigung. Unter geeigneten Bedingungen kann das Gas dann einen Zustand annehmen, der sich nur mit Hilfe 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. Auf diese Weise können die Atome ihr Verhalten abstimmen. In den vergangenen vier Jahren haben die Atomphysiker Gase aus Rubidium-, Natrium- und zuletzt auch Wasserstoffatomen in einen kollektiven Quantenzustand gebracht, den man als Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet. Jetzt ist es Deborah Jin und ihrem Doktoranden Brian DeMarco von der University of Colorado in Boulder gelungen, ein Gas des Isotops Kalium-40 in einen neuartigen Quantenzustand zu überführen, der sich von einem Bose-Einstein-Kondensat deutlich unterscheidet.

Der Grund für das so andersartige Verhalten der Kaliumatome liegt darin, daß sie im Gegensatz zu den drei anderen Atomsorten eine ungerade Zahl von Materiebausteinen - Protonen, Neutronen und Elektronen - enthalten. Diese Elementarteilchen gehören allesamt zur Klasse der Fermionen. Zwei identische Fermionen, zum Beispiel zwei Elektronen, dürfen nach den Gesetzen der Quantenphysik nicht im selben Zustand sein. Sie können sich weder am selben Ort aufhalten, noch dürfen sie mit gleicher Geschwindigkeit in dieselbe Richtung fliegen. Dieses sogenannte Pauli-Verbot gilt auch für Kalium-40-Atome, weil sie eine ungerade Zahl von Fermionen enthalten und deshalb ebenfalls fermionische Eigenschaften besitzen. Die Natrium-, Rubidium- und Wasserstoffatome sind hingegen Bosonen und können sich in großer Zahl im selben Zustand sammeln, zum Beispiel bei der Bose-Einstein-Kondensation.

Um untersuchen zu können, wie sich fermionische Atome bei sehr tiefen Temperaturen verhalten, mußten Jin und DeMarco erst einmal ein neuartiges Kühlverfahren entwickeln ("Science", Bd. 285, S. 1703). Zunächst haben sie die Kaliumatome mit Laserlicht, dessen Energie auf die optischen Eigenschaften und die Wärmebewegung der Atome abgestimmt ist, auf ungefähr ein zehntausendstel Kelvin vorgekühlt. Dann wurden etwa 100 Millionen dieser Atome in eine sogenannte Magnetfalle gesperrt, in der sie ein schwaches Magnetfeld festhält. Läßt man die "heißen", energiereicheren Atome aus der Falle entweichen, so sollten sich die zurückbleibenden Atome weiter abkühlen. Während man mit dieser Verdampfungskühlung die Temperatur bosonischer Atome schon auf ein zehnmillionstel Kelvin gesenkt hat, stößt man bei fermionischen Atomen auf eine fundamentale Schwierigkeit. Damit die zurückbleibenden Atome weiter abkühlen können, müssen sie miteinander kollidieren und Energie austauschen. Doch die fermionische Natur der Kaliumatome verhindert, daß sie einander nahe kommen und kollidieren.

Die beiden Wissenschaftler haben die Kaliumatome deshalb in zwei verschiedene magnetische Zustände gebracht und damit gewissermaßen zwei Atomsorten hergestellt. Da zwei Atome verschiedenen Typs voneinander unterscheidbar sind, unterliegen sie nicht dem Pauli-Verbot und können miteinander kollidieren. Auf diese Weise kühlen sich die beiden Atomsorten gegenseitig. Schließlich öffnet man die Magnetfalle für eine der beiden Sorten und, erhält ein reines fermionisches Gas extrem tiefer Temperatur. Wegen des Pauli-Verbots haben die zurückbleibenden Atome allesamt eine unterschiedliche Energie. Ähnlich den Elektronen in einem Atom belegen sie in aufsteigender Reihe eine Energieleiter, wobei sich auf jeder Sprosse nur ein Atom befinden kann. Auf Grund dieser Beschränkung sollte die Gesamtenergie des kalten, fermionischen Gases größer sein, als man es auf Grund der klassischen Thermodynamik erwarten würde.

Um dies zu überprüfen, schalteten die Wissenschaftler die Magnetfalle ab und ließen die Atomwolke auseinanderfliegen. Mit einem Laserstrahl beleuchteten sie die Wolke. Die Entwicklung des Wolkenschattens wurde mit einer speziellen Kamera verfolgt. Aus der Bewegung der Atome konnten die Forscher schließlich die Energie der Wolke bestimmen. Dabei fanden sie tatsächlich die erwartete Energieerhöhung.

Je kälter das fermionische Gas wird, desto weniger wirkungsvoll ist die Verdunstungskühlung. Die Wissenschaftler vermuten, daß dafür der Widerstand verantwortlich ist, den die Wolke wegen des Pauli-Verbots einer weiteren Verdichtung entgegensetzt. In ähnlicher Weise widersetzen sich auch weiße Zwerge und Neutronensterne dem Gravitationskollaps. Hier könnten die Experimente mit Kalium-40 neue Aufschlüsse über das Verhalten extrem dichter Materie geben. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, daß sich die Kaliumatome bei noch tieferen Temperaturen zu Paaren zusammenschließen. Diese Atompaare wären bosonischer Natur und könnten ihrerseits ein Bose-Einstein-Kondensat bilden. Der dann vorliegende Zustand hätte Ähnlichkeit mit dem Zustand einer Supraflüssigkeit oder eines Supraleiters. Schließlich haben fermionische Gase möglicherweise auch einen praktischen Nutzen. Man könnte mit ihnen genauere Atomuhren bauen, weil das Pauli-Verbot die störenden Kollisionen zwischen den Atomen stark unterdrückt. 
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