G33 Bose-Einstein-Kondensation (BEC) |
Die Vorstellung von einer Bose-Einstein-Kondensation geht zurück auf eine theoretische Folgerung Einsteins (1924/25), die auf einer Theorie des Inders Bose (1924) für Quantenteilchen mit ganzzahligem Spindrehimpuls beruht. Solche Teilchen heißen dementsprechend heute Bosonen.
Bosonen mit ganzzahligem Spin haben im Unterschied zu Fermionen mit halbzahligem Spin die Besonderheit, dass sie mit Vorliebe "wenn es die Energie zulässt" alle den gleichen Grundzustand besetzen. Zwei Fermionen können dagegen nie im gleichen Zustand sein. Scherzhaft sagt man manchmal, dass Bosonen "gesellig" seien, Fermionen dagegen "Einzelgänger". Als Bosonen sind z.B. Atome mit ungerader Kernladungszahl geeignet, wenn sie eine gerade Anzahl von Spins (Nukleonen und Elektronen) besitzen. Häufig verwendet man Alkalimetall-Atome wie Rubidium (Z = 37).
Kühlt man nun ein (in der Regel) sehr verdünntes Gas immer mehr ab, gehen immer mehr Bosonen in den gemeinsamen Grund-Zustand über. Von einer gewissen kritischen Temperatur TBEC an befinden sich makroskopisch viele Bosonen in diesem Zustand, der Kondensat (BEK) genannt wird. Es hat dann ein Phasenübergang ähnlich wie ein Kondensations- oder Kristallisationsvorgang stattgefunden.
Immer weniger der übrigen Bosonen bleiben dann in der Gasphase und umgeben das Kondensat. Grob gesagt findet das dann statt, wenn sich mit abnehmender Temperatur und abnehmender mittlerer kinetischer Energie der Teilchen - die mittlere deBroglie-Wellenlänge der Wahrscheinlichkeitsverteilung für die einzelnen Bosonen auf einen mittleren Atomabstand vergrößert hat, so "dass sich die Wellenfunktionen der einzelnen Bosonen überlappen". TBEC liegt in der
Größenordnung von 10-8 K. Dann bildet sich für
die im Kondensat enthaltenen Bosonen ein gemeinsamer Zustand aus; die einzelnen
vorherigen Bosonen haben ihre Identität verloren und existieren
nicht mehr als individuelle Teilchen.
In einem BEK haben die Teilchen ihre Individualität verloren. Nur mehr der gemeinsame Zustand hat dann für das Kondensat eine Bedeutung. |
Eine solche Bose-Einstein-Kondensation wird schon seit Jahrzehnten bei der Supraleitung in Metallen oder bei der Suprafluidität in He4 beobachtet. Dort bringt die beträchtliche Wechselwirkung zwischen den Bosonen allerdings zusätzliche Erscheinungen und Schwierigkeiten.
Die heute meist als Bose-Einstein-Kondensate bezeichneten Systeme entstehen aus extrem verdünnten Gasen von bosonischen Atomen, die nur schwach miteinander wechselwirken. Sie umfassen 103 bis typisch 106 identische Atome. Dabei ist eine leicht abstoßende Kraft vorteilhaft. BEKs mit leicht anziehender Kraft zwischen den Atomen neigen zur explosionsartigen Zerstörung (Implosion). In der Theorie solcher Kondensate muss man also die Wechselwirkungen mit einbeziehen.
Manche Forscher sprechen von einem "Superatom" um die Einheitlichkeit des Zustands zu betonen, aber Interferenzversuche zeigen Grenzen dieses Bilds auf: Eine Interferenzfigur entsteht bereits, wenn sich zwei BEKs überlagern.
Damit sich ein BEK bilden kann, sind also folgende Voraussetzungen zu erfüllen:
Die extrem geringe Teilchendichte ist notwendig, weil andernfalls das Gas kondensieren, eine Flüssigkeit und vielleicht sogar einen Festkörper bilden würde. Durch die sehr geringe Teilchendichte ist dagegen die Gewähr gegeben, dass das Gas einige Sekunden bis Minuten lang als "übersättigtes Gas" bestehen bleibt, eine Zeit, in der die BEC stattfinden kann.
Wie kann man ein BEK sichtbar machen?
Eine Möglichkeit besteht darin, die Falle abzuschalten, das BEK herausfallen zu lassen und mit einem Laser geeigneter Frequenz in Querrichtung zu bestrahlen. Wenn Resonanzabsorption eintritt, kann das Licht das Kondensat nicht durchdringen und wirft einen Schatten, der mit einer CCD-Kamera registriert wird. Mit Computerhilfe wird daran die Dynamik analysiert. Durch die Messung mittels Photonen findet gleichzeitig Absorption an wieder individuellen Atomen statt. Das ist der Grund, weshalb man bereits bei der Überlagerung von zwei BEK eine komplette Interferenzfigur aus sehr vielen einzelnen Atomen erhält, anders als etwa bei der Interferenz von Fulleren-Molekülen.