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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Ultrakalte Atome ohne Mini-Supernova
Quantenzustand erstmals experimentell erzeugt |
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| | | Unter bestimmten Umständen explodieren ultrakalte Gase in einer Art Mini-Supernova. Ändert man die Umstände, bleibt das System stabil und bekommt neue quantenmechanische Eigenschaften. Dies ist Forschern um Elmar Haller vom Institut für Experimentalphysik der Uni Innsbruck gelungen. |
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Sie konnten in ihrer Studie so einen vor vier Jahren theoretisch vorhergesagten Zustand weltweit erstmals experimentell erzeugen.
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Die entsprechende Studie "Realization of an Excited, Strongly-Correlated Quantum Gas Phase" ist am 3.9.09 in "Science" erschienen. |
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 Abstract der Studie |
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Bose-Einstein-Kondensat und Bose-Nova |
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Der Hintergrund: Im Zustand des Bose-Einstein-Kondensats (BEC) verlieren Bosonen - Teilchen mit ganzzahligem Spin - bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gleichsam ihre Identität. Sie gehen in einem synchronisierten Teilchenmeer auf, sie schwingen gemeinsam und verhalten sich wie ein einziges Superteilchen.
BEC wird als eigener Zustand der Materie - neben gasförmig, fest oder flüssig - angesehen, seine erstmalige Erzeugung im Jahr 1995 wurde 2001 mit dem Nobelpreis gewürdigt.
Wenn man ein pulsierendes magnetisches Feld an ein BEC anlegt, kann dieses in sich zusammenschrumpfen und explodieren - in der Fachwelt hat sich dafür in Anlehnung an das Himmelschauspiel der Supernova der Begriff "Bose-Nova" durchgesetzt. Um eben diese Mini-Supernova dreht sich nun die Arbeit der Innsbrucker Forscher.
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40.000 ultrakalte Cäsium-Atome |
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Als ersten Schritt bildeten die Physiker in einer Vakuumkammer ein BEC mit rund 40.000 ultrakalten Cäsium-Atomen. Mit Hilfe von zwei Laserstrahlen erzeugten sie dann ein optisches Gitter, in dem sich die Atome in vertikalen, eindimensionalen Strukturen anordneten.
Jeweils bis zu 15 Atome stapelten sich dabei übereinander. Durch das Laserlicht wurden sie daran gehindert, aus der Reihe zu tanzen oder mit anderen Atomen den Platz zu tauschen.
Über ein Magnetfeld konnten die Forscher die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Atomen justieren: Vergrößerten die Experimentatoren die Anziehungskraft zwischen den Atomen, bewegten sich diese aufeinander zu. Der Stapel von Atomen fiel zuerst in sich zusammen, anschließend flogen die Teilchen in einer Bose-Nova auseinander und verteilten sich.
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Anziehung und Abstoßung |
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Ließ man hingegen die Atome einander abstoßen, reihten sie sich in regelmäßigem Abstand entlang der eindimensionalen Struktur auf und es entstand ein sehr stabiles System.
Ein überraschender Effekt zeigte sich allerdings, wenn die Physiker die Wechselwirkung zwischen den Atomen schnell von stark abstoßend nach stark anziehend änderten.
"Dann erreichen wir einen exotischen, gasähnlichen Zustand, in dem die Atome angeregt sind, sich anziehen, aber sich nicht aufeinander zu bewegen können und die 'Bose Nova' ausbleibt", erklärte Nägerl.
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Atome tanzen keinen Bose-Nova
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Schematische Darstellung verschiedener Zustände von eindimensionalen Quantengasen.
Bei einer stark anziehenden Wechselwirkung bilden sich molekülähnliche Atomgruppen (im Bild hinten), während die Atome sich bei einer stark abstoßenden Wechselwirkung gegenseitig vermeiden (Bildmitte).
Der neue Zustand, der übrigens den hübschen Namen "Super-Tonks-Zustand" trägt (benannt nach dem US-Physiker Lewi Tonks), ist im Bild vorne dargestellt. Obwohl die Atome sich gegenseitig stark anziehen, können sie nicht zusammen kommen.
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Wichtig für Hochtemperatursupraleiter |
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Nachgewiesen wurde der Zustand, indem das Quantengas leicht zusammengedrückt und dessen Steifigkeit gemessen wird.
"Dieser vor vier Jahren vorhergesagte Zustand konnte jetzt erstmals experimentell erzeugt werden", freut sich Elmar Haller, der Erstautor der Studie.
Die Arbeiten der Forscher könnten etwa dabei helfen, die Funktionsweise von Hochtemperatursupraleitern in Zukunft besser zu verstehen.
[science.ORF.at/APA, 3.9.09]
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01.01.2010 |
