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Ultrakalte Quanteneffekte

Materie im Ausnahmezustand

Die Natur wartet immer wieder mit Überraschungen auf, wenn man sich dem absoluten Nullpunkt nähert. So stellte Heike Kamerlingh Onnes schon im Jahr 1911 fest, dass der elektrische Widerstand von Metallen bei tiefen Temperaturen plötzlich verschwindet – sie werden zu Supraleitern. Bei den atomaren Gasen sorgt eine fundamentale Dichotomie von Quantenobjekten für spektakuläre Effekte.

Teilchenmodell
Die Elementarteilchen gliedern sich in Fermionen, die Bausteine der Materie, sowie Bosonen, die Wechselwirkungen vermitteln. © MissMJ/ gemeinfrei

Zwei Sorten von Elementarteilchen

Die Grundbausteine der Materie teilen sich in zwei Klassen: Bosonen und Fermionen, benannt nach Satyendranath Bose und Enrico Fermi. Die beiden Physiker haben erstmals die unterschiedlichen quantenstatistischen Eigenschaften dieser beiden Klassen beschrieben – und damit auch die Verteilung der Objekte auf die quantenphysikalisch zur Verfügung stehenden Energien. Nach dem heutigen Standardmodell der Elementarteilchen sind alle fundamentalen Konstituenten der Materie Fermionen. Die Austauschteilchen hingegen, welche die fundamentalen Kräfte vermitteln, sind bosonischer Natur.

Bei abnehmender Temperatur verringern sich die mittlere Energie und die Energieverteilung der Teilchen. Ab einer bestimmten kritischen Temperatur kommt die Quantenphysik ins Spiel, die für jedes auf einen bestimmten Raumbereich begrenzte Quantenobjekt – in unserem Falle ein Atom – keinen Zustand der absoluten Ruhe zulässt. Aus der Heisenberg’schen Unschärferelation folgt vielmehr, dass dieses Atom immer eine von null verschiedene Bewegungsenergie aufweist.

Bosonenklüngel im Quantenregime

Erreicht die mit der Temperatur zusammenhängende thermische Energie die Größenordnung dieser quantenphysikalischen Minimalenergie, so offenbart sich die Quantennatur der Atome. Denn in diesem Regime verhalten sich Fermionen gänzlich anders als Bosonen. Während es gleichartigen Fermionen nicht erlaubt ist, gemeinsam einen Quantenzustand einzunehmen, wird die Wahrscheinlichkeit, ein weiteres Boson in einem bestimmten Quantenzustand zu finden, sogar erhöht, wenn sich bereits gleichartige Bosonen in diesem Zustand befinden.

Bei der Abkühlung eines Gases hat dies nun beispielsweise zur Folge, dass bei der kritischen Temperatur das Gas aus bosonischen Atomen plötzlich einen Phasenübergang aufweist – die Bose­Einstein­Kondensation. Bei diesem Übergang sammeln sich die meisten Atome im energetisch tiefsten Quantenzustand an – ähnlich wie beim Gefrieren von Wasser. Sie bilden so ein makroskopisches Quantenobjekt, welches man mit bloßem Auge beobachten kann.

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Experimente mit solchen ultrakalten fermionischen und bosonischen Gasen werden in verschiedenen Labors des Physikalischen Instituts und des Kirchhoff­ Instituts für Physik der Universität Heidelberg mittlerweile routinemäßig durchgeführt.

Autor: Matthias Weidemüller, Zentrum für Quantendynamik der Universität Heidelberg / Ruperto Carola

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Das kälteste Gas des Universums
Forschung im Reich der ultrakalten Materie

Was ist Temperatur?
Von Atomen, Entropie und Energie

Wettlauf zum Nullpunkt
Wie kühlt man Materie bis auf nahe Null Kelvin?

Ultrakalte Quanteneffekte
Materie im Ausnahmezustand

Und der Nutzen?
Wozu sich ultrakalte Materie einsetzen lässt

Ein Dämon, Computer und die Energie
Quantenkälte und die Endlichkeit von Information

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