BOSE-EINSTEIN-Kondensat - der 5. Aggregatzustand
Die
BOSE-EINSTEIN-Kondensation, benannt nach dem indischen Physiker SATYENDRA
NATH BOSE (1894-1974) und dem deutschen Physiker ALBERT
EINSTEIN (1879-1955), ist ein quantenstatistisches
Phänomen. Dieses Phänomen wurde erstmals im Jahre 1925 von
ALBERT EINSTEIN beschrieben. EINSTEIN stützte sich dabei auf einen
Ansatz von SATYENDRA N. BOSE zur Herleitung des planckschen Strahlungsgesetzes
mittels statistischer Prinzipien. EINSTEIN wandte ihn auf Teilchen an und
konnte zeigen, dass es bei einer kritischen Temperatur nahe dem absoluten
Nullpunkt zu einem rein quantenmechanischen Phasenübergang im idealen
Gas kommt, bei dem Wechselwirkungen keine Rolle spielen. Dieser Phasenübergang
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Grundzustand von einer Vielzahl von
Atomen besetzt wird, die gleichsam ihre Identität verlieren und sich
alle wie ein einziges Superatom
verhalten. Das Ergebnis eines solchen Übergangs wird als BOSE-EINSTEIN-Kondensat
(BEC, abgeleitet vom englischen Bose-Einstein-condensation),
bezeichnet. In einem solchen Kondensat haben alle Atome die gleiche Energie.
Alle haben identische Orte und Geschwindigkeiten im Rahmen der heisenbergschen
Unschärferelation. Realisierbar ist ein solches Kondensat nur mit Bosonen.
Das ist eine Sammelbezeichnung für Quantenobjekte mit dem Spin null
oder mit einem ganzzahligen Spin. Aufgrund der Besonderheiten bezeichnet
man ein BOSE-EINSTEIN-Kondensat mitunter auch als den 5. Aggregatzustand.
Der experimentelle Nachweis war vor allem deshalb
schwierig, weil die Kondensation nur bei Temperaturen nahe dem absoluten
Nullpunkt (unterhalb von einigen Mikrokelvin) auftritt und auch dann nur
für eine relativ kleine Anzahl von Atomen in einem verdünnten
Gas. Der Durchbruch gelang zwei Forschergruppen in den USA im Jahre 1995:
Der Gruppe von ERIC A. CORNELL und CARL E. WIEMAN gelang am Joint Institute
for Laboratory Astrophysics in Boulder (USA) die BOSE-EINSTEIN-Kondensation
in einem Gas aus einigen tausend Rubidium-Atomen. Fotos davon zeigt Bild
1. Vier Monate später gelang das auch der Gruppe um WOLFGANG KETTERLE
am Massachusetts Institute of Technology mit Natrium. Alle drei Wissenschaftler
wurden für diese Leistung im Jahre 2001 mit dem Nobelpreis
für Physik ausgezeichnet.
Der große Wert von BOSE-EINSTEIN-Kondensaten
besteht vor allem darin, dass sie für die Grundlagenforschung ein
nahezu ideales quantenmechanisches
Modellsystem darstellen. Die Forschungen zur BOSE-EINSTEIN-Kondensation
befinden sich gegenwärtig in einer sehr dynamischen Entwicklungsphase.
