Gesellige Teilchen

Atome am Rande des Nullpunkts

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Sichtbarer Quanteneffekt

07. Januar 2005 Die Quantennatur des Lichts hatte sich endlich in der Physik fest etabliert, als Einstein Ende Juni 1924 einen Brief aus Indien erhielt. Der Absender war Satyendra Nath Bose, der die berühmte Plancksche Strahlungsformel von 1900 auf ungewöhnliche Weise hergeleitet hatte.

Der junge Physiker interpretierte in seinem Artikel die von Einstein 1905 postulierten Lichtquanten als ein ideales Gas, dessen Partikeln unabhängig voneinander Zustände einnehmen können, die ihnen von der Quantentheorie zugewiesen werden. Daraus leitete Bose den Zusammenhang zwischen der Intensität der Strahlung und ihrer Temperatur sowie ihrer Wellenlänge her. Einstein erkannte sogleich die Bedeutung der Arbeit, die er eigenhändig übersetzte und in der Zeitschrift für Physik erscheinen ließ.

Erste Quantentheorie für ein Ideales Gas

Anschließend wandte Einsteins Boses Überlegungen auf Atome und Moleküle an und entwickelte so die erste Quantentheorie für ein ideales Gas. Dabei kam er zu einem seltsamen Schluß: Unterhalb einer bestimmten Temperatur drängeln sich alle Teilchen gleichermaßen in den Quantenzustand niedrigster Energie.

Dort sind die Partikeln nicht mehr zu unterscheiden und verhalten sich wie eine Art Superatom. Der Effekt, der Bose-Einstein-Kondensation genannt wird, war zunächst eine reine mathematische Kuriosität. Wenig später fand man heraus, daß er nur bei Atomen - sogenannten Bosonen - auftreten sollte, deren Spins ganzzahlige Werte annehmen.

Magnetische Atomfallen

Lange hatten die Physiker versucht, die Bose-Einstein-Kondensation im Labor zu verwirklichen. Erst 1995 ist den späteren Nobelpreisträgern Eric Cornell und Carl Wieman vom National Institute of Standards and Technology (Nist) in Boulder/Colorado sowie Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge das Experiment gelungen. Mit raffinierten Verfahren der Laserkühlung und mit speziellen magnetischen Atomfallen hatte man ein Gas aus mehreren tausend Rubidiumbeziehungsweise Natriumatomen im Vakuum auf eine Temperatur von weniger als einem Millionstel Grad über dem Nullpunkt gekühlt.

Unter diesen Bedingungen bewegten sich die Atome extrem langsam, verloren ihre Identität sowie ihren Teilchencharakter und kondensierten in einen gemeinsamen makroskopischen Quantenstand niedrigster Energie, der sich wie ein Superatom verhielt.

Geburt des Atomlasers

In den vergangenen Jahren konnten dank verfeinerter Verfahren und eines besseren Verständnisses die Bose-Einstein-Kondensation auf Atome von Kalium, Lithium, Wasserstoff, Helium und Cäsium sowie jüngst auch auf Moleküle ausgeweitet werden. Inzwischen haben einige Forschergruppen auch einen Teil der Atome aus ihren Kondensaten kontrolliert entweichen lassen, was zu Partikelstrahlen mit erstaunlichen Eigenschaften führte. Die Atome schwangen im Gleichtakt ähnlich wie die Photonen eines Laserstrahls. Der Atomlaser war geboren.

„Anmerkungen zur Arbeit von Bose: Wärmegleichgewicht im Strahlungsfeld bei Anwesenheit von Materie“: Zeitschrift für Physik, 1924, Bd. 27, S. 261.

„Quantentheorie des einatomigen idealen Gases“: Sitzungsberichte der Preußischen Akademie der Wissenschaften, 1924, S. 261 und 1925, S. 3.



Text: mli. / Frankfurter Allgemeine Zeitung, 29.12.2004, Nr. 304 / Seite N1

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