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F.A.Z. v. 10.11.1999

Quantenwirbel im atomaren Gas

Suprafluidität von Bose-Einstein-Kondensaten / Nachweis durch Interferenz / Von Rainer Scharf

Vor vier Jahren ist es erstmals gelungen, stark verdünnte atomare Gase der Alkalimetalle Rubidium und Natrium so weit abzukühlen, dass die Atome in einen kollektiven Quantenzustand kondensieren und eine Quantenflüssigkeit bilden. Die Erforschung dieser so genannten Bose-Einstein-Kondensate hat inzwischen erstaunliche Fortschritte gemacht. So hat sich gezeigt, dass extrem tiefgekühlte atomare Gase Ähnlichkeiten mit Supraleitern und Supraflüssigkeiten aufweisen. In den beiden bekannten Supraflüssigkeiten, die von den Edelgasisotopen Helium-3 und Helium-4 gebildet werden, treten zum Beispiel Strömungswirbel auf, die ohne äußere Energiezufuhr beliebig lange bestehen bleiben. Diese Wirbel, die nur mit Hilfe der Quantenmechanik erklärt werden können, kommen in normalen Flüssigkeiten nicht vor. Wissenschaftler in den Vereinigten Staaten haben jetzt erstmals in einem Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidiumatomen Wirbel erzeugt, die denen im suprafluiden Helium sehr ähnlich sind.

Die Forschergruppe um Eric Cornell von der University of Colorado in Boulder musste beträchtliche Schwierigkeiten überwinden, um das Bose-Einstein-Kondensat in Wirbelbewegung zu versetzen ("Physical Review Letters", Bd. 83, S. 2498). Während man in einer normalen Flüssigkeit einen Wirbel durch Umrühren erzeugen kann, führt dies weder beim supraflüssigen Helium noch bei atomaren Bose-Einstein-Kondensaten zum Erfolg, da sie jedes Hindernis widerstandslos umströmen. Man kommt im Falle des Heliums dadurch zum Ziel, dass man es im normalflüssigen Zustand in einen rotierenden Behälter füllt, der es in Drehbewegung versetzt. Anschließend kühlt man das rotierende Helium so weit ab, bis es supraflüssig wird.

Beim Bose-Einstein-Kondensat versagt indes auch dieses Verfahren. Um das Kondensat herzustellen, bringt man die vorgekühlten Atome in eine Falle, wo sie von Magnetfeldern festgehalten werden. Während die wärmeren Atome verdampfen, kühlen sich die zurückbleibenden weiter ab, sodass sich mehr und mehr von ihnen als Kondensat in der Mitte der Falle sammeln. Eine rotierende Magnetfalle versetzt zwar die wärmeren Atome in Drehbewegung, nicht jedoch das entstehende Kondensat. Anfangs ist die Kondensatmenge zu klein, als dass sie einen Wirbel enthalten kann, da dieser nach den Gesetzen der Quantenmechanik eine bestimmte Mindestgröße haben muss. Doch je mehr Atome das ruhende Kondensat enthält, um so stärker widersetzt es sich dem Versuch, es nachträglich in Rotation zu bringen.

J. E. Williams und M. J. Holland, die ebenfalls an der University of Colorado arbeiten, haben kürzlich ein Verfahren zur Erzeugung von Wirbeln in Bose-Einstein-Kondensaten vorgeschlagen, bei dem man diese Schwierigkeiten umgeht ("Nature", Bd. 401, S.. 568). In abgewandelter Form hat es jetzt Cornell und seinen Mitarbeitern zum Erfolg verholfen. Zunächst werden die Rubidiumatome in zwei geringfügig verschiedene elektronische Zustände gebracht und abgekühlt. Dabei entstehen zwei unterscheidbare ruhende Bose-Einstein-Kondensate, die sich gegenseitig vollständig durchdringen und als eine Atomwolke erscheinen. Mit Hilfe eines Mikrowellenfeldes können die Atome von einem Zustand in den andern gebracht werden und damit auch von einem Kondensat in das andere.

Um in einem der beiden Kondensate einen Wirbel zu erzeugen, ließen die Wissenschaftler einen Laserstrahl 100 Mal in der Sekunde um die Atomwolke kreisen, wobei der Strahl den Rand der Wolke streifte. Das Laserlicht verändert die elektrischen Eigenschaften derjenigen Rubidiumatome, die sich in der Atomwolke in einem ringförmigen Bereich befinden. Dies führt dazu, dass das Mikrowellenfeld diese Rubidiumatome nicht mehr von dem einen ruhenden Kondensat in das andere bringt, sondern in ein geringfügig von diesem verschiedenes: In dem zweiten Kondensat hat sich in dem vom Laserstrahl getroffenen Ring innerhalb einer zehntel Sekunde ein Wirbel gebildet, der das Kondensat ringförmig umschließt.

Beim Versuch, nachzuweisen, dass in dem kaum ein zwanzigstel Millimeter großen Kondensat ein Wirbel steckt, kommen den Wissenschaftlern die quantenmechanischen Eigenschaften der Bose-Einstein-Kondensate zu Hilfe. Der Quantenmechanik zufolge wird der Zustand eines Kondensats durch eine Wellenfunktion beschrieben. Für ein ruhendes Kondensat hat die Wellenfunktion nur positive Werte. Ist in dem Kondensat jedoch ein Wirbel versteckt, so zeigt die Wellenfunktion ein komplizierteres räumliches Verhalten und nimmt auch komplexe Werte an. Damit diese räumliche Abhängigkeit sichtbar wird, setzen die Wissenschaftler die beiden Kondensate einem wohldosierten Mikrowellenpuls aus, der die Rubidiumatome im verwirbelten Kondensat in denselben elektrischen Zustand bringt wie die im wirbelfreien. Die Atome sind dann nicht mehr unterscheidbar. Statt zweier Kondensate hat man plötzlich nur noch eins. In diesem hinterlassen die Wellenfunktionen der beiden ursprünglichen Kondensate ein sich veränderndes Interferenzmuster. Bestrahlt man das Kondensat mit Laserlicht, so wird das Interferenzmuster als veränderlicher Schatten sichtbar. Die Wissenschaftler schließen aus dem Verhalten des Schattens, dass der von ihnen erzeugte Wirbel etwa drei Sekunden für einen Umlauf benötigt.

Inzwischen mehren sich die Anzeichen, dass die Bose-Einstein-Kondensate der Alkalimetalle tatsächlich Supraflüssigkeiten sind wie das suprafluide Helium. Damit stehen gleich mehrere weitere Substanzen zur Verfügung, diesen faszinierenden, kollektiven Quantenzustand der Materie eingehender zu untersuchen. 
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