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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Physik-Nobelpreis 2001 verliehen |
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| | | Der Physik-Nobelpreis 2001 wird an den Deutschen Wolfgang Ketterle sowie die beiden Amerikaner Eric A. Cornell und Carl E. Wieman verliehen. Die Wissenschaftler werden für die Erzeugung eines neuen Aggregatzustands der Materie geehrt, des so genannten Bose-Einstein-Kondensats. |
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Das Kondensat ist neben fest, flüssig, gasförmig und dem Plasma die fünfte Erscheinungsform von Materie. Praktische Anwendungen könnten sich unter anderem bei Präzisionsmessungen und in der Nanotechnologie ergeben.
Die Ehrung der Physiker wurde von der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften heute in Stockholm bekannt gegeben. Die Auszeichnung ist mit zehn Millionen Schwedische Kronen (15 Millionen S/1,1 Mio. Euro) dotiert und wird zu gleichen Teilen zwischen den Preisträgern geteilt.
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Neuer Materiezustand: Bose-Einstein-Kondensat |
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Ein Laserstrahl unterscheidet sich von gewöhnlichem Taschenlampenlicht auf vielfache Weise. Im Laser haben die Lichtpartikel teils gleiche Energie, teils schwingen sie im Takt. Lange ist es für die Forscher eine Herausforderung gewesen, zu verursachen, dass sich auch Materie auf diese kontrollierte Art verhält.
Den diesjährigen Nobelpreisträgern in Physik ist das gelungen; sie haben Atome dazu gebracht, "unisono zu singen", und damit einen neuen Materiezustand, der Bose-Einstein-Kondensat (BEC) genannt wird, entdeckt.
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Cornell und Wieman
Eric A. Cornell (Bild links) wurde 1961 in Palo Alto/Kalifornien geboren. Er promovierte 1990 am MIT (Massachusetts Institute of Technology). Zurzeit ist er Forscher am NIST (National Institute of Standards and Technology) und Professor an der University of Colorado, Boulder, Colorado.
Carl. E. Wieman (Bild rechts) kam 1951 in Corvallis/Oregon zur Welt. Seine Promotion erfolgte 1977 an der Stanford University, wie Cornell ist er Professor für Physik an der University of Colorado, Boulder, Colorado. |
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 Mehr über das Bose-Einstein-Kondensat von Eric Cornell und Carl Wieman |
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Vorgeschichte: Bose und Einstein |
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In Jahr 1924 führte der indische Physiker Bose wichtige theoretische Berechnungen über Lichtpartikel durch. Er schickte seine Ergebnisse an Albert Einstein, der die Theorie auf einen gewissen Typ von Atomen ausweitete. Einstein sagte voraus, dass, wenn man ein Gas aus derartigen Atomen auf eine sehr geringe Temperatur abkühle, alle Atome sich plötzlich in dem niedrigstmöglichen Energiezustand ansammeln würden.
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70 Jahre lange Suche für den Nachweis |
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Der Prozess ähnelt dem, der abläuft, wenn Flüssigkeitstropfen aus einem Gas gebildet werden, und wird deswegen Kondensation genannt. Es sollte 70 Jahre dauern, bis es den diesjährigen Nobelpreisträgern im Jahr 1995 gelang, diesen extremen Materienzustand herzustellen.
Cornell und Wieman erzeugten ein reines Kondensat von ca. 2.000 Rubidiumatomen bei 20 nK (Nanokelvin), das ist
0,000.000.02 Grad über dem absoluten Nullpunkt.
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Bose-Einstein-Kondensat (BEC)
BEC sind winzige Gebilde mit spezifischen Eigenschaften. Man kühlt z.B. Rubidiumatome auf beinahe null Kelvin (-273,15°Celsius) ab und erreicht, dass sie kurzzeitig ihre Eigenständigkeit aufgeben und sich alle wie ein einziges Superatom verhalten: Alle haben dieselben physikalischen Eigenschaften. Ein solches Bose-Einstein-Kondensat ermöglicht eine neuartige Kontrolle über Atome.
Im Bose-Einstein-Kondensat haben nun alle Atome die gleiche Energie. Die Voraussetzung ist allerdings, dass sie Bosonen sind, also Teilchen mit ganzzahligem Spin. Formal ausgedrückt besagt das, dass die Wellenfunktionen von Bosonen bei extremer Kühlung zu einer einzigen, der des Superatoms, verschmelzen. Somit werden, da die Wellenfunktion sämtliche physikalische Eigenschaften wie Ort und Geschwindigkeit beschreibt, die einzelnen Atome ununterscheidbar. |
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Mehr zum Bose-Einstein-Kondensat |
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Die Darstellung zeigt die schrittweise Entstehung eines Bose-Einstein-Kondensates bei Rubidiumatomen. Von links nach rechts sieht man die Verteilung der Atome in der Wolke vor (Bild links), am Beginn der Kondensation (Bild Mitte) und nach der vollen Kondensation (Bild rechts).
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Kondensat mit Rubidium- und Natriumatomen |
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Unabhängig von Cornells und Wiemans Arbeiten führte Ketterle entsprechende Experimente mit Natriumatomen durch. Die Kondensate, welche herzustellen ihm gelang, enthielten mehr Atome und konnten deswegen dazu verwendet werden, das Phänomen näher zu untersuchen.
Mittels zwei separater BECs, die ineinander expandieren konnten, erhielt man sehr deutliche Interferenzmuster. Das sind Muster, wie sie sich auf einer Wasseroberfläche bilden, wenn man zwei Steine gleichzeitig hineinwirft.
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Wolfgang Ketterle
Ketterle wurde 1957 in Heidelberg geboren. Er promovierte 1986 an der Ludwig-Maximilians-Universität München und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Derzeit ist er Professor am MIT (Massachusetts Institute of Technology) in Cambridge/Massachusetts. |
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Mehr über Wolfgang Ketterle |
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Folgen für Nanotechnologie und Präzisionsmessungen |
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Dieses Experiment zeigte also, dass das Kondensat vollständig koordinierte Atome enthielt. Ketterle konnte auch einen Strahl von kleinen "BEC-Tropfen" erzeugen, die auf Grund der Schwerkraft herunterfielen. Das kann als ein Anfang zu einem "Laserstrahl" mit Materie an Stelle von Licht gesehen werden.
Es ist interessant, über Anwendungsbereiche von BEC zu spekulieren. Die neue "Kontrolle" über die Materie, die diese Technik bedeutet, wird umwälzende Anwendungen unter anderem bei Präzisionsmessungen und in der Nanotechnologie zur Folge haben.
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01.01.2010 |
