Forscher der TU Wien haben Quanten-Korrelationen von Atomen gemessen, während sie ein ultrakaltes BEC bilden
Wien - Wenn man Atome auf weniger als ein Millionstel Grad über dem
absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius bzw. Null Kelvin abkühlt, gehen sie in einen
besonderen Materiezustand über - das Bose-Einstein-Kondensat (BEC).
In diesem Zustand verlieren die Teilchen quasi ihre Identität und beginnen im
Gleichschritt zu schwingen, ähnlich wie Lichtteilchen in einem Laser. Wiener
Physiker konnten nun zeigen, dass selbst bei 50 Milliardstel Grad Celsisus über dem
Nullpunkt noch ein paar "Individualisten" diesen Gleichklang stören. Ihre Arbeit
wurde in der aktuellen Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift "Nature Physics" veröffentlicht.
Üblicherweise haben alle Atome in einem Gas unterschiedliche
Geschwindigkeiten und befinden sich an unterschiedlichen Orten.
Quantenphysikalisch kann man jedes Teilchen als eine andere Quanten-Welle
beschreiben. Handelt es sich bei den Teilchen um Bosonen (das sind Atome, die
sich aus einer geraden Zahl von Protonen, Neutronen und Elektronen
zusammensetzen und deshalb "ganzzahligen Spin" haben), nehmen sie knapp über dem
absoluten Nullpunkt den Zustand mit der geringstmöglichen Energie ein, sie
bilden ein BEC.
Gleichklang
In einem solchen BEC schwingen alle Quanten-Wellen exakt im Gleichklang. Die
Teilchen haben ihre Individualität völlig verloren und verhalten sich wie eine
einzige große Quantenwelle. Auch die einzelnen Lichtteilchen in einem Laser
schwingen im Gleichschritt und bilden gemeinsam eine einzige Quanten-Welle.
Die Messungen der Physiker vom Vienna Center for Quantum Science and
Technology (VCQ) am Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien am BEC
sind eng mit dem sogenannten Hanbury-Brown-Twiss-Experiment verwandt, mit dem
vor mehr als 50 Jahren die Quanteneigenschaften von Licht untersucht wurden. In
diesem Experiment wird ein mathematischer Zusammenhang zwischen den
Aufenthaltsorten der Teilchen untersucht, die sogenannte Korrelationsfunktion.
Neue Messung
Bei Licht einer gewöhnlichen Glühbirne hat diese Korrelationsfunktion den
Wert 2, bei Laserlicht den Wert 1. Der Wert 1 bedeutet, "dass die
Wahrscheinlichkeit, zwei Teilchen zu detektieren, überall gleich groß ist", so
der Erstautor der Studie, Aurelien Perrin in einer Aussendung der TU. Weil der
Zustand von Atomen im BEC jenem von Lichtteilchen im Laserstrahl sehr ähnlich
ist, hatten die Wissenschafter erwartet, auch ähnliche
Hanbury-Brown-Twiss-Korrelationen festzustellen. "Man hatte immer geglaubt, dass
bald nach Bildung des BEC die Korrelationsfunktion eins wird und hat das auch
tatsächlich so gemessen. Aber da konnte einfach nicht genau genug gemessen
werden", erklärte TU-Forscher Jörg Schmiedmayer im Gespräch.
Das Experiment der Wiener Physiker zeigte nun, dass sich BEC und Laser
tatsächlich deutlich unterschieden. Der Grund: In einem Bose-Einstein-Kondensat
sind nicht alle Atome im tiefsten Energiezustand, ein paar Ausreißer gibt es
immer. Diese Teilchen haben ein wenig mehr Energie als der große Rest und sind
dafür verantwortlich, dass sich das BEC doch anders verhält als Licht in einem
Laserstrahl. Denn die Materiewellen der "Individualisten" überlagern sich mit
dem BEC und erzeugen zusätzliches Rauschen. Selbst im weiter abgekühlten Zustand bei 50 Nanokelvin (50
Milliardstel Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt) war dieser Effekt noch zu
sehen. "Bose-Einstein-Kondensate sind mittlerweile auf der ganzen Welt zu höchst gefragten Versuchsobjekten für Quanten-Experimente geworden. Diese Messungen sind ein wichtiger Beitrag, unser Verständnis dieser ultrakalten Objekten zu vertiefen", so Schmiedmayer abschließend. (APA/red)
