Bose-Einstein-Kondensat
Nobelpreis für einen neuen Aggregatzustand
Der seltsame, kirschkerngroße Tropfen schien aus einer anderen Welt: Weder fest noch flüssig noch gasförmig schwebte die tiefgekühlte Materiekugel am 5. Juni 1995 im Labor von Carl Wieman und Eric Cornell. 15 Sekunden lang konnten die beiden US- Physiker damals beobachten, was noch nie ein Mensch zuvor gesehen hatte: einen neuen Aggregatzustand der Materie, das Bose-Einstein-Kondensat. Damit gewannen sie ein Kopf-an-Kopf-Rennen mit der Gruppe des deutschen Physikers Wolfgang Ketterle am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge.
Nur vier Monate nach Cornell und Wieman veröffentlichte Ketterles Team seine ersten Beobachtungen des neuen Materiezustands. Die experimentelle Bestätigung des bereits 1925 vorhergesagten Kondensats galt stets als "heiliger Gral der Quantenphysik", für dessen Entdeckung die drei Forscher jetzt zu gleichen Teilen den Physiknobelpreis 2001 bekommen.
Außerhalb eines Labors kommt das exotische Kondensat vermutlich nicht vor. "Unsere Probe ist das einzige Stück davon im Universum", sagte Cornell damals, "es sei denn, in irgendeinem Labor in einem anderen Sonnensystem existiert noch etwas". Dennoch werden dem fünften Aggregatzustand neben fest, flüssig, gasförmig und dem Plasma eine Vielzahl von Anwendungen prophezeit: So soll das Bose-Einstein-Kondensat Messinstrumente und Atomuhren genauer machen und in künftigen Quantencomputern Informationen speichern. Inzwischen können es rund um den Globus mehr als 20 Teams herstellen.
Die größte Karriere erwartet den fünften Aggregatzustand dabei im "Atomlaser", der statt Licht die im Gleichtakt schwingenden Materiewellen des Bose-Einstein-Kondensats aussendet. Ein solcher Atomlaser könnte unter anderem kleinste Strukturen mit bisher unerreichter Präzision aufbauen, wovon beispielsweise die Nanotechnologie und Computerindustrie profitieren würden.
Nur knapp zwei Jahre nach der ersten Beobachtung eines Bose- Einstein-Kondensats hatte Ketterles Gruppe einen ersten einfachen Atomlaser verwirklicht. Die MIT-Forscher verwendeten Natrium-Gas statt Rubidium und entwickelten ein Gerät, das einige kurze Pulse von Atomstrahlen aussendet. Allerdings lieferte dieser einfache Atomlaser keinen kontinuierlichen Strahl kondensierter Atome, sondern musste immer wieder nachgeladen werden. Außerdem fallen die Kondensat- Tropfen mit der Schwerkraft nach unten und lassen sich nicht in eine beliebige Richtung dirigieren wie der Strahl eines optischen Lasers.
Das kleine Team um Cornell und Wieman, eine Arbeitsgruppe des National Institute of Standards and Technology und der Universität von Colorado in Boulder, hatte im Juni 1995 ein paar Rubidium-Atome auf die niedrigste Temperatur gekühlt, die bis dahin in einem Labor erreicht worden war. Nur der Hauch von 20 Milliardstel Grad trennte das Gas noch vom absoluten Nullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius.
Um 10.54 Uhr war es dann so weit: Etwa 2000 Atome vereinigten sich vor den Spezialkameras der Forscher plötzlich zu einer Einheit. "Es war beinahe zu schön, um wahr zu sein", sagt Wieman. "Es glich genau dem, was ich immer als bestes Ereignis erwartet hatte." In dem neuen Aggregatzustand verlieren die einzelnen Atome ihre Identität und bilden eine einzige quantenmechanische Teilchenwelle. Wie die Lichtteilchen in einem optischen Laser befinden sich alle Atome des Kondensats dabei auf der gleichen Wellenlänge und sind exakt im Gleichtakt.
Bereits 1925 hatte Albert Einstein das Quantenkondensat vorhergesagt, aufbauend auf den Überlegungen des indischen Physikers Satyendra Nath Bose. "Das war zunächst bloß eine Art mathematischer Hexentrick, und man dachte lange, dass so etwas nicht tatsächlich existiert", sagt Prof. Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München, der in den 70er Jahren Doktorvater von Wieman war. Die Gruppe von Hänsch präsentiert in der aktuellen Ausgabe des britischen Wissenschaftsmagazins "Nature" (Bd. 413, S. 4908) als erste einen briefmarkengroßen Atom-Chip, der sowohl ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugen als es auch verschieben kann - und damit ein einfacher miniaturisierter Atomlaser ist.
Der fünfte Aggregatzustand dient den Forschern weltweit heute vor allem noch als Testlabor für viele Aspekte der Quantenphysik. Dabei überrascht das Bose-Einstein-Kondensat die Physiker immer wieder. So hat die Gruppe um Cornell, Wieman und ihre Kollegin Elizabeth Donley kürzlich ein Bose-Einstein-Kondensat solange mit Magnetfeldern traktiert, bis es in einer "Bosenova" - einer Miniatur-Supernova - explodierte.
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09.10.2001
nano online / dpa