Bose-Einstein-Kondensation in magnetischen und optischen Fallen

2.3 4 He 15
nicht explizit berechnet worden. Aus diesem Grund ist der Zusammenhang zwischen dem
λ-Übergang und der Bose-Einstein-Kondensation zur Zeit nur eine sinnvoll erscheinende
Vermutung.
Könnte Helium sich oberhalb von T λ verfestigen, so würden die Wellenfunktionen der
einzelnen Atome nicht überlappen und die Symmetrie der Gesamtwellenfunktion keine
entscheidenden Folgen zeigen, das heißt die Bose-Einstein-Kondensation wäre nicht beobachtbar.
Eine gute Beschreibung von 4 He für Temperaturen unterhalb der Übergangstemperatur T λ
ist die sogenannte Zwei-Phasen-Theorie von Laszlo Tisza, die die Koexistenz einer suprafluiden
und einer normalen Phase annimmt [118]. 3 Die Atome im Grundzustand, also
das Bose-Einstein-Kondensat, entsprechen hier der suprafluiden Phase, und die angeregten
Atome befinden sich in der normalen Phase. Tisza nimmt an, daß sich die normale Flüssigkeit
wie eine gewöhnliche, klassisch bekannte Flüssigkeit verhält und der suprafluide Teil
einige außergewöhnliche Eigenschaften besitzt: Ihre Entropie ist Null und sie kann ohne
Widerstand durch Kanäle von extrem kleinen Durchmessern fließen. 4 Eine sehr kleine Öffnung
in einem Gefäß mit He II filtert die suprafluide Komponente, weil die andere Phase
das Loch nicht passieren kann. Verbindet man zwei Gefäße mit einem dünnen Rohr und
bringt einen Teil der suprafluiden Komponente durch ein Druckgefälle dazu, in das andere
Gefäß zu fließen, steigt die Entropie pro Masseneinheit im ersten Gefäß an und nimmt im
zweiten ab. Aus diesem Grund erwärmt sich das erste Gefäß und das zweite kühlt sich ab
(mechanokalorischer Effekt). Der umgekehrte Effekt, also die Erzeugung eines Druckgefälles
durch Erwärmung, heißt Springbrunnen-Effekt. Weiterhin ist suprafluides Helium in
der Lage, an Wänden hochzufließen und ein ausgezeichneter Wärmeisolator.
Die beschriebenen Effekte lassen sich mit dem Zwei-Flüssigkeits-Modell erklären, es fehlt
jedoch eine vollständige hydrodynamische Beschreibung von flüssigem 4 He, sowie seiner
molekularen Natur. 5 Landau und Feynman versuchen die molekulare Natur mit Hilfe des
Zwei-Flüssigkeits-Modells in der Nähe des absoluten Nullpunktes zu erklären.
Wie in einem Phononengas ist die experimentelle spezifische Wärme bei Temperaturen in
der Nähe des Nullpunktes proportional zu T 3 . Landau beschreibt daher die Zustände in der
Nähe des Grundzustandes als ein Gas aus nicht miteinander wechselwirkenden Elementar-
3 Auch für Bose-Einstein Kondensate aus Alkaliatomen existieren Ansätze dieser Art. Siehe beispielsweise
[36].
4 Die Fähigkeit durch extrem kleine Durchmesser fließen zu können, macht man sich in der Praxis zum
Beispiel bei modernen supraleitenden Magneten zu nutze. Möchte man sehr starke Felder erzeugen, so sind
zum einen Spulen mit vielen Wicklungen und zum anderen hohe Ströme nötig. Damit die Spulen, die in der
Regel aus Niob hergestellt werden, möglichst gut gekühlt werden, benutzt man nicht nur flüssiges, sondern
suprafluides Helium. Dieses ist in der Lage, zwischen den Niobwicklungen hindurchzufließen und dadurch
eine gleichmäßige Kühlung zu gewährleisten. Eine Anwendung finden solche Magnete mit Feldern von etwa
10 Tesla beispielsweise in zukünftigen Beschleunigern [57].
5 Bisher sind nur Neutronenstreuexperimente in der Lage, den Anteil der kondensierten Phase zu messen.
Allerdings sind die Ergebnisse schwer zu interpretieren, und es wird nicht damit gerechnet, daß der kondensierte
Teil in den nächsten Jahren direkt mit solchen Verfahren beobachtet werden kann [114]. Neuere
Ansätze arbeiten mit niederenergetischen Heliumstrahlen, die auf eine suprafluide Schicht gelenkt werden.
Ein Atom, das auf das Target trifft, besitzt eine Wahrscheinlichkeit mit den kondensierten Atomen zu wechselwirken
und sofort auf der anderen Seite des Targets wieder auszutreten (Quantum Evaporation). Durch
Time-of-Flight Messungen kann der kondensierte Anteil bestimmt werden [122].