Physiker vermessen Grenze zwischen stabilen und instabilen Zuständen von Quantengasen aus Magneten Pfannkuchenform verhindert Quantengas-Kollaps - scinexx | Das Wissensmagazin
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Physiker vermessen Grenze zwischen stabilen und instabilen Zuständen von Quantengasen aus Magneten

Pfannkuchenform verhindert Quantengas-Kollaps

Chromatome werden durch blaue Laserstrahlen auf ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt. Dann entsteht ein ultrakaltes Quantengas aus atomaren Magneten. Die Montage zeigt im Hintergrund einen Ausschnitt aus dem Lasersystem, welches das Laserlicht zur Kühlung erzeugt. Im Vordergrund ist eine typische Falschfarbenfotografie einer ultrakalten Wolke gefangener Chrom Atome zu sehen. © Universität Stuttgart

Ein Gas aus lauter kleinen atomaren Magneten ist nicht stabil. Es implodiert durch die anziehende Wechselwirkung zwischen den Magneten. Stuttgarter Forscher haben nun die Grenze zwischen stabilen und instabilen Zuständen eines Quantengases aus Magneten vermessen und berichten über ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Physics. Danach verhindert eine Pfannkuchenform, dass es zu einem Kollaps des Quantengases kommt.

Dass sich anziehende Materie nicht stabil ist, hat jeder schon einmal erfahren, der mit einer Ansammlung von Magneten gespielt hat: sie klumpen einfach zusammen. Das gilt auch, wenn die Magneten durch ein äußeres Magnetfeld polarisiert werden.

Pfannkuchen statt Zigarre

Stabil werden sie erst, wenn sie gleichzeitig in einer flachen Scheibe – Wissenschaftler sprechen von einer Pfannkuchenform – gefangen gehalten werden. Eine Kugel- oder Zigarrenform ist dagegen instabil. Dann hilft nur noch eine zusätzliche abstoßende Wechselwirkung, um das kollapsartige Zusammenklumpen zu verhindern.

Das Forscherteam um Professor Tilman Pfau vom 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart hat jetzt Quantengase aus Magneten untersucht, die aus ultrakalten Chromatomen bestehen, die nach einem Phasenübergang als Bose-Einstein Kondensat vorliegen. In dieser besonderen Form von Quantenmaterie können sowohl die Wechselwirkungen zwischen den Magneten als auch die einfangende Form kontrolliert eingestellt werden.

Experimenteller Nachweis gelungen

Theoretische Vorhersagen zu den Grenzen zwischen stabilen und instabilen Bereichen hatte Pfau zusammen mit einer polnischen Arbeitsgruppe schon vor fast zehn Jahren publiziert. Nun ist endlich der experimentelle Nachweis gelungen, dass sich das Quantengas tatsächlich wie vorhergesagt verhält und eine Pfannkuchenform das Gas stabilisiert.

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Momentan studieren die Wissenschaftler, wie der Kollaps im Detail vonstatten geht. Da die Implosion Ähnlichkeit mit einer Supernova hat, bezeichnen sie Forscher auch als „Bose Nova“. Dabei werden durch die magnetische Wechselwirkung in bestimmten Parameterbereichen neue Zustände der Quantenmaterie erwartet. Ein gesteuerter Kollaps könnte aber auch genutzt werden, um Chromatome haargenau auf einer Oberfläche abzusetzen.

(idw – Universität Stuttgart, 27.02.2008 – DLO)

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