Wiener Forscher identifizierten neuen Kühlmechanismus in Gasen

1. Februar 2016, 14:21
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Physiker der TU Wien konnten klären, warum sich bestimmte Gase viel weiter abkühlen lassen, als man nach den klassischen Gesetzen der Physik erwarten würde

Wien – Wiener Quantenphysiker haben einen neuen Kühlungsmechanismus identifiziert: Erzeugt man nämlich ein sogenanntes eindimensionales Gas, dürfte sich dessen Temperatur eigentlich nicht mehr weiter absenken lassen – trotzdem passiert genau das. Verantwortlich dafür ist eine spezielle quantenphysikalische Art der Kühlung, über die die Forscher nun im Fachblatt "Physical Review Letters" berichten.

In einer Flüssigkeit oder einem Gas tummeln sich Teilchen mit unterschiedlich viel Energie. Je heißer ein Gas ist, desto mehr Teilchen mit hoher Energie rasen darin umher. Um ein solches System abzukühlen, entfernen Wissenschafter mithilfe von elektromagnetischen Feldern gezielt die schnellsten Partikel mit den höchsten Energien. Die verbliebenen Teilchen mischen sich dann, und durch Wechselwirkungen stellt sich ein niedrigeres Energieniveau ein – die Temperatur sinkt. Dieser innere Temperaturausgleich wird als "Thermalisierung" bezeichnet.

"Das ist, was man bei Experimenten mit kalten Atomen standardmäßig anwendet", sagte Bernhard Rauer vom Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien. Die Forscher um Rauer und Jörg Schmiedmayer experimentieren aber mit eindimensionalen Gasen, die sich aufgrund ihrer speziellen räumlichen Struktur anders verhalten.

Kollektive Quantenwellen

Da die Teilchen in diesem Versuchsaufbau in einer derart engen elektromagnetischen Falle gefangen sind, können sie sich nur in eine Richtung bewegen und Energie nur untereinander austauschen, es kommt also nicht zur Thermalisierung. "Hier stellt sich die Frage, ob man ab einem gewissen Punkt überhaupt noch weiter abkühlen kann", so Rauer. Es zeigte sich aber nicht nur, dass sich das durch Entfernung von Teilchen weiterhin bewerkstelligen lässt: die Temperatur sank sogar noch tiefer, als die klassische Physik erklären kann.

Bei ihren Versuchen sind die Wiener Physiker auf einen neuen Mechanismus gestoßen, der nicht auf der Thermalisierung beruht, wie Rauer erklärte. "In dem extrem kalten Zustand, in dem sich die Atome befinden, kann man ihr Verhalten eigentlich besser verstehen, wenn man sich nicht auf die Bewegung der einzelnen Teilchen konzentriert, sondern kollektive Wellen – ähnlich Wasserwellen – betrachtet, die sich auf mehrere Teilchen verteilen."

Die Energie des Systems ist in diesen Quantenwellen gespeichert, die immer kleiner werden, je mehr Teilchen aus dem Gas entfernt werden. Beim Hinauswerfen dieser Teilchen kühlt das System also auf quantenphysikalische Weise ab. Rauer: "Für uns ist das ein gutes Werkzeug, um noch kälter zu werden. Denn je kälter man diese Systeme bekommt, umso stärker treten ihre quantenmechanischen Eigenschaften heraus". (APA, red, 1.2.2016)

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