Zwischen Memphis und Theben: Die Gräber politischer Drahtzieher

..... QUANTENPHYSIK
Experimentieren mit den kältesten Objekten des Universums
Von Immanuel Bloch
Bei Temperaturen nahe
dem absoluten Nullpunkt
werden Atome nicht nur
langsamer. Sie zeigen auch
ein ungewöhnliches
„Sozialverhalten“.
Abb. 1:
Schematische Darstellung der Bose-
Einstein-Kondensation in verdünnten
atomaren Gasen. (a) Bei Raumtemperatur
verhalten sich die einzelnen
Atome des Gases wie punktförmige,
klassische Kugeln, die sich
mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten
in verschiedene Richtungen
bewegen. (b) Wird das Gas auf
wenige tausendstel Kelvin über
dem absoluten Temperaturnullpunkt
(bei -273 °C) abgekühlt, so
werden die einzelnen Atome
gemäß der Quantenmechanik
durch einzelne Wellenzüge dargestellt,
deren Ausdehnung von der
Temperatur der Atome abhängt.
(c) Bei einer weiteren Abkühlung
wird die Ausdehnung des einzelnen
Wellenzugs vergleichbar mit dem
mittleren Abstand zwischen den
Atomen im Gas und es kommt zu
einem Phasenübergang zum Bose-
Einstein-Kondensat, bei der die Atome
nun alle im Gleichtakt schwingen
und durch eine einzige kohärente
Materiewelle beschrieben
werden. (d) Wird die Temperatur
noch weiter erniedrigt, so gehen
nahezu alle Atome in den Zustand
des Bose-Einstein-Kondensats über.
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Kalt, kälter, noch viel kälter! Experimente nahe am
absoluten Temperaturnullpunkt mit einer neuen
besonderen Form von Quantenmaterie führen uns in
ein neues und hochaktuelles Forschungsgebiet der
Physik, welches wir in meiner neuen Arbeitsgruppe
am Institut für Physik seit einem halben Jahr
beschreiten. Worum geht es? Vor nunmehr fast 80
Jahren schickte ein junger Inder namens Satyendra
Nath Bose seine wissenschaftliche Arbeit über die
damals ungelöste Frage der Schwarzkörperstrahlung
an Albert Einstein. Der erkannte sofort, dass der junge
Physiker eine geniale Idee hatte, übersetzte dessen
Arbeit ins Deutsche, erweiterte dessen Theorie
und erwähnte zum ersten Mal das heute unter dem
Namen Bose-Einstein-Kondensation bekannte Phänomen.
Erst 70 Jahre später konnte diese zunächst
rein theoretische Voraussage einer neuen Form von
Quantenmaterie – einem wirklichen neuen Aggregatzustand
– dann auch experimentell in den Laboratorien
amerikanischer Physiker erzeugt werden.
Die Forscher in aller Welt waren begeistert!
Das Bose-Einstein-Kondensat
Was ist das zugrunde liegende Prinzip der Bose-Einstein-Kondensation
und wann tritt diese auf? In der
Physik unterscheiden wir zwischen zwei fundamentalen
Arten von Teilchen, den sogenannten Bosonen
und Fermionen. Die beiden Teilchen unterscheiden
sich nur darin, wie schnell sie sich um ihre eigene
Achse drehen, was wir durch den sogenannten
Eigendrehimpuls beschreiben. Bosonen besitzen dabei
einen Eigendrehimpuls, der ein ganzzahliges Vielfaches
des Planck’schen Wirkungsquantums beträgt
und Fermionen ein halbzahliges Vielfaches. Schon ein
einzelnes Neutron mehr in einem Atomkern kann ein
bosonisches Atom dabei in ein fermionisches Atom
verwandeln. Nun denkt man, dass sich dabei die
Eigenschaften des einzelnen Atoms nicht sehr
ändern sollten, die chemischen Eigenschaften solcher
Atome sind z.B. nahezu identisch, aber genau
das Gegenteil ist unter besonderen Bedingungen der
Fall. Grob gesprochen besitzen Bosonen und Fermionen
nämlich ein ausgesprochen unterschiedliches
Sozialverhalten. Während Bosonen wahre Partygänger
sind und sich bevorzugt am gleichen Ort aufhalten,
sind Fermionen Einzelgänger, die den Kontakt zu
anderen Teilchen eher vermeiden, was wir unter dem
Prinzip des Pauliverbots kennen.
Nun müssen wir noch etwas Wissen aus der Quantenmechanik
hinzunehmen, um das Phänomen der
Bose-Einstein-Kondensation vollends zu verstehen.
In der Quantenmechanik beschreiben wir einzelne
Teilchen nicht als punktförmige Objekte, sondern als
kleine Wellenzüge. Die Ausdehnung eines solchen
Wellenzugs wird dabei durch die sogenannte de Broglie
Wellenlänge beschrieben. Diese de Broglie Wellenlänge
λ dB eines Teilchens kann einfach berechnet