BOSE-EINSTEIN-Kondensat - der 5. Aggregatzustand

Die BOSE-EINSTEIN-Kondensation wurde erstmals im Jahre 1925 von ALBERT EINSTEIN beschrieben. EINSTEIN stützte sich dabei auf einen Ansatz von SATYENDRA N. BOSE zur Herleitung des planckschen Strahlungsgesetzes mittels statistischer Prinzipien. EINSTEIN wandte ihn auf Teilchen an und konnte zeigen, dass es bei einer kritischen Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt zu einem rein quantenmechanischen Phasenübergang im idealen Gas kommt, bei dem Wechselwirkungen keine Rolle spielen. Dieser Phasenübergang ist dadurch gekennzeichnet, dass der Grundzustand von einer Vielzahl von Atomen besetzt wird, die gleichsam ihre Identität verlieren und sich alle wie ein einziges Superatom verhalten. Das Ergebnis eines solchen Übergangs wird als BOSE-EINSTEIN-Kondensat (BEC, abgeleitet vom englischen Bose-Einstein-condensation), bezeichnet. In einem solchen Kondensat haben alle Atome die gleiche Energie. Alle haben identische Orte und Geschwindigkeiten im Rahmen der heisenbergschen Unschärferelation. Realisierbar ist ein solches Kondensat nur mit Bosonen. Das ist eine Sammelbezeichnung für Quantenobjekte mit dem Spin null oder mit einem ganzzahligen Spin. Aufgrund der Besonderheiten bezeichnet man ein BOSE-EINSTEIN-Kondensat mitunter auch als den 5. Aggregatzustand.

Erste Beobachtung der BOSE-EINSTEIN-Kondensation am Rubidium. Erkennbar ist die Geschwindigkeitsverteilung in einer Atomwolke knapp oberhalb der kritischen Temperatur (links) und unterhalb der kritischen Temperatur mit einer extrem schmalen Energieverteilung (Mitte). Rechts ist ein praktisch reines Kondensat von etwa 2000 Atomen zu sehen.

Der experimentelle Nachweis war vor allem deshalb schwierig, weil die Kondensation nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (unterhalb von einigen Mikrokelvin) auftritt und auch dann nur für eine relativ kleine Anzahl von Atomen in einem verdünnten Gas. Der Durchbruch gelang zwei Forschergruppen in den USA im Jahre 1995: Der Gruppe von ERIC A. CORNELL und CARL E. WIEMAN gelang am Joint Institute for Laboratory Astrophysics in Boulder (USA) die BOSE-EINSTEIN-Kondensation in einem Gas aus einigen tausend Rubidium-Atomen. Fotos davon zeigt Bild 1. Vier Monate später gelang das auch der Gruppe um WOLFGANG KETTERLE am Massachusetts Institute of Technology mit Natrium. Alle drei Wissenschaftler wurden für diese Leistung im Jahre 2001 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Der große Wert von BOSE-EINSTEIN-Kondensaten besteht vor allem darin, dass sie für die Grundlagenforschung ein nahezu ideales quantenmechanisches Modellsystem darstellen. Die Forschungen zur BOSE-EINSTEIN-Kondensation befinden sich gegenwärtig in einer sehr dynamischen Entwicklungsphase.

WOLFGANG KETTERLE gehört zu den drei Wissenschaftlern, die 2001 für den experimentellen Nachweis von BOSE-EINSTEIN-Kondensaten mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden.

Stand: 2010
Dieser Text befindet sich in redaktioneller Bearbeitung.

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