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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Ultrakalte Gase: Forscher stellen neuartige Teilchensysteme her |
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Wie US-amerikanische Physiker sowie ein Team um Rudolf Grimm vom Institut für Experimentalphysik der Uni Innsbruck berichten, ist man nun jenen Mechanismen auf der Spur, die für Phänomene wie Supraleitung und Suprafluidität verantwortlich sind.
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Die Studie "Evidence for Superfluidity in a Resonantly Interacting Fermi Gas" von J. E. Thomas et al. erschien im Fachmagazin "Physical Review Letters" (Band 92, S. 150402, Ausgabe vom 16. April 2004). |
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 Zum Original-Abstract |
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Bei Kälte rücken - manche - Teilchen zusammen |
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Bei normaler Temperatur fliegen Atome eines Gases wild durcheinander.
Kühlt man das Gas allerdings auf weniger als ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab, verlieren die einzelnen Atome quasi ihre Identität, rutschen auf dem niedrigsten Energieniveau eng zusammen und verhalten sich wie eine einzige Einheit, eine Art "Super-Atom".
Sie bilden ein BEC, das sich völlig anders verhält als herkömmliche Materiezustände wie gasförmig, flüssig, fest und Plasma. Dessen Entdeckung wurde 2001 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet.
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Der Spin entscheidet über Teilchenverhalten |
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Das ganze funktioniert allerdings nur, wenn das Gas aus Atomen mit "ganzzahligem Spin" (Bosonen) besteht, die also aus einer geraden Zahl von Protonen, Neutronen und Elektronen zusammengesetzt sind.
"Diese Bosonen sind sehr gesellig, wenn ein Quantenzustand (etwa das niedrigste Energieniveau, Anm.) besetzt ist, geht ein weiteres Boson noch lieber in diesen Zustand", erklärte Rudolf Grimm im Gespräch mit der APA.
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Fermionen sträuben sich gegen atomaren Gleichschritt
Ganz anders verhält sich dagegen ein Gas, das aus Fermionen besteht. Das sind Atome mit "halbzahligem Spin" bzw. einer ungeraden Zahl an Bausteinen. Sie haben regelrecht eine Abneigung voreinander, auf Grund des so genannten Pauli-Ausschlussprinzips können sie niemals den selben quantenmechanischen Zustand einnehmen. |
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Pauli-Prinzip bei Wikipedia |
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Warum Gase nicht beliebig komprimierbar sind |
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Das bedeutet gleichzeitig, dass man aus fermionischen Atomen kein BEC machen kann. Selbst wenn man ein Gas aus solchen Atomen stark abkühlt, kann nur ein einziges Teilchen die minimal mögliche Energie haben, alle anderen Teilchen nehmen Zustände höherer Energie an.
Die Gesamtenergie eines Fermigases ist also auch am absoluten Temperatur-Nullpunkt recht groß. Komprimiert man so ein Gas, sträubt es sich dagegen und baut einen Gegendruck auf.
Die Ursache dafür liegt in rein quantenmechanischen Effekten und hat nichts mit den Kräften zu tun, die zwischen den Atomen wirken. Dies ist auch die quantenmechanische Begründung, warum man Materie nicht beliebig komprimieren kann.
Der Gegendruck ist auch in Neutronensternen wirksam und verhindert dort den Kollaps der Teilchen im starken Gravitationsfeld der Sterne.
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Paarbildung macht auch Fermionen gesellig |
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Während das Interesse der Forscher in den vergangenen Jahren vor allem dem relativ einfach zu erzeugenden BEC gegolten hat, wenden sich in jüngster Zeit immer mehr Wissenschaftler den Fermi-Gasen zu, die ein noch weniger erforschter Materiezustand sind als BEC.
So ist es Grimm und seiner Gruppe Ende vergangenen Jahres weltweit erstmals gelungen, ein Gas, das aus fermionischen Atomen besteht (Lithium-6), zu kondensieren. Sie verbanden durch eine chemische Reaktion zwei Lithium-6 Atome zu einem Molekül.
Aus zwei Atomen mit halbzahligen Spin wird dadurch ein Molekül mit einem ganzzahligen Spin, und das kann zu einem BEC abgekühlt werden.
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Neuheit: Bindungsstärke zwischen Atomen geregelt |
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"Dieses Arbeitsgebiet hat sich in den vergangenen Monaten in einem atemberaubenden Tempo weiterentwickelt und es findet ein spannendes Rennen verschiedener Gruppen statt, bei dem wir derzeit als einzige europäische Gruppe mit den Amerikanern mithalten können", erklärte Rudolf Grimm.
Seinem Team ist es nun gelungen, die Bindungsstärke zwischen den Lithium-6-Atomenpaaren zu kontrollieren - und zwar über ein Magnetfeld. "Wir können ganz einfach mit einem Drehregler einstellen, ob wir eine starke Bindung zwischen den Atomen wollen oder eine schwache", sagte Grimm.
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Bizarres Teilchensystem: "Man weiß nicht genau, was das ist" |
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Wenn die Wissenschaftler nun ein BEC aus Atomenpaaren bilden und dann die Bindungsstärke zwischen den Atomen durch Veränderung des Magnetfelds langsam lösen, geht das Bose-Einstein-Kondensat in ein Fermi-Gas über, "oder in etwas, von dem man gar nicht mehr so genau weiß, was das ist", so Grimm.
Es handle sich vielmehr um ein "merkwürdiges Vielteilchensystem", bei dem ein Fermion nicht nur mit einem anderen wechselwirkt, sondern mit vielen anderen Partnern.
"Das macht die Sache aber auch so spannend, weil solche Vielteilchensystem beispielsweise auch in Neutronensternen vorkommen", sagte der Physiker.
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Indiz für Suprafluidität? |
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Wenn man - wie beschrieben - die Bindungsstärke zwischen den Atomen variiert, gibt es keine Moleküle mehr, es entstehen so genannte Cooper-Paare - und diese sind nach der gängigen Theorie für die Supraleitung (verlustfreie Leitung von Strom) und die Suprafluidität (bei der Flüssigkeiten ohne innere Reibung fließen) verantwortlich.
Tatsächlich ist es nun John Thomas von der amerikanischen Duke University gelungen, in einem Fermi-Gas aus Lithium-6-Atomen Suprafluidität nachzuweisen. Sie versetzten dazu das auf 400 Nanokelvin abgekühlte Gas in Schwingungen.
Diese Schwingungen hielten lange Zeit mit nur sehr geringer Dämpfung an, für die US-Wissenschaftler ein eindeutiges Indiz für Suprafluidität.
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Physiker Grimm deutet Hinweise - noch - mit Vorsicht |
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Grimms Team hat in Innsbruck ein sehr ähnliches Experiment durchgeführt, ist mit seinen Aussagen aber noch deutlich vorsichtiger:
"Auch unsere Beobachtungen deuten auf Suprafluidität hin, wir haben ein ähnliches Schwingverhalten gesehen wie Thomas und eine weitere Schwingung beobachtet, die sogar noch länger hält und überhaupt nicht mehr gedämpft ist - aber der tatsächliche Nachweis für Suprafluidität ist das noch nicht."
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Die Studie "Tuning the scattering length with an optically induced Feshbach resonance" von R. Grimm et al. wurde beim Fachmagazin "Physical Review Letters "eingereicht und ist am Preprintserver arXiv.org kostenfrei abrufbar. |
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Zum Abstract |
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Der Punkt, an dem Suprafluidität zusammenbricht |
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Die Innsbrucker Forscher haben zudem nachgewiesen, dass sich das Schwingverhalten sprunghaft ändert, wenn man bei der Variation des Magnetfelds einen bestimmten Punkt überschreitet.
"Wenn man die Bindungsstärke schwächer macht, gibt es einen Punkt, an dem plötzlich wieder eine starke Dämpfung der Schwingung einsetzt", sagte Grimm.
Dies könnte der Punkt sein, an dem die Bindung der Atome als Cooper-Paar und damit die Suprafluidität zusammenbricht.
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Nächstes Forschungsziel: Supraleitung |
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Bei den Arbeiten ist jedenfalls noch lange nicht das letzte Wort gesprochen. "Wir können mit unseren Experimenten nun erstmals die Eigenschaft solcher Paare in stark wechselwirkenden Vielteilchensystemen untersuchen", sagte Grimm.
So wollen die Wissenschaftler versuchen, ein solches System nicht wie derzeit quasi isoliert zu beobachten, sondern es mit Hilfe optischer Gitter in festkörperähnlich Strukturen einbauen.
Damit wäre man schon sehr nahe den Vorgängen in supraleitenden Materialien, wo nach bisheriger Theorie ebenfalls Paare von Elektronen für den Stromtransport ohne elektrischen Widerstand verantwortlich sind.
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Von der Theorie zum Experiment |
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Auch das Interesse der Theoretiker an den Experimenten ist laut Grimm extrem hoch: "Da gibt es Leute, die seit 20 Jahren diesen Übergang von Fermigasen zu BEC rechnen und nun erstmals ihre Berechnungen im Experiment überprüfen können."
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Mehr zu diesem Thema in science.ORF.at
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01.01.2010 |
