Überraschung: Quantenteilchen bilden Tropfen

25. November 2016, 12:53
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Innsbrucker Forscherteam: "Bei den Tropfen handelt es sich nach wie vor um ein Gas, das aber Eigenschaften einer Flüssigkeit angenommen hat"

Innsbruck/Wien – Albert Einstein und Satyendranath Nath Bose hatten es 1924 vorhergesagt, experimentell realisiert wurde es erstmals 1995: Kühlt man Atome auf minus 273 Grad Celsius, bilden sie ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC). Nahe dem absoluten Nullpunkt nehmen Bosonen (Atome, die sich aus einer geraden Zahl von Protonen, Neutronen und Elektronen zusammensetzen und deshalb "ganzzahligen Spin" haben, Anm.) den Zustand mit der geringstmöglichen Energie ein. Die Teilchen haben dabei ihre Individualität völlig verloren und verhalten sich in Summe wie ein einzelnes Quantenobjekt.

Innsbrucker Physiker berichten nun im Fachblatt "Physical Review X" von einer überraschenden Entdeckung in einem BEC aus magnetischen Atomen: Wird die gewöhnliche Wechselwirkung der Teilchen unterdrückt, formen sie eine neuartige Quantenflüssigkeit, die Forscher sprechen von Quantentropfen.

Das Experiment

Das Forscherteam um Francesca Ferlaino und Lauriane Chomaz vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Innsbruck erzeugte für ihr Experiment ein BEC aus Erbium-Atomen. Diese magnetischen Teilchen können über ein äußeres Magnetfeld kontrolliert werden. Dadurch kann man die gewöhnliche Wechselwirkung zwischen den Atomen so unterdrücken, dass nur noch ihre Quanteneigenschaften zum Tragen kommen.

Sobald das Teilchensystem derart ruhig gestellt wurde, bildete sich aus dem Quantengas ein einzelner großer Tropfen aus rund 20.000 Atomen, sagte Ferlaino. Dieser wurde ohne äußere Unterstützung alleine durch Quanteneffekte zusammengehalten, so wie die Oberflächenspannung einen Flüssigkeitstropfen zusammenhält. Bei geänderten Parametern können auch mehrere solcher Quantentropfen entstehen.

Stichwort Suprafluidität

"Bei den Tropfen handelt es sich nach wie vor um ein Gas, das aber Eigenschaften einer Flüssigkeit angenommen hat", sagte die Physikerin. In Kooperation mit Theoretikern der Uni Hannover konnten die Wissenschafter damit erstmals den Übergang von einem BEC, das sich wie ein superfluides Gas verhält, zu einem superfluiden Zustand, wie man ihn bisher nur von flüssigem Helium kannte, beobachten und untersuchen.

Von der weiteren Erforschung dieses Zustands erhoffen sich Wissenschafter ein besseres Verständnis von Suprafluidität, bei der ein Gas oder eine Flüssigkeit ohne jegliche innere Reibung strömt. Denn in ultrakalten Quantengasen lässt sich das Phänomen in sehr reiner Form und unter gut kontrollierbaren Bedingungen studieren. (APA, red, 26. 11. 2016)

  • Aufgrund von Quanteneffekten kollabiert das Quantengas nicht, sondern bildet einen Tropfen.
    illustration: iqoqi/harald ritsch

    Aufgrund von Quanteneffekten kollabiert das Quantengas nicht, sondern bildet einen Tropfen.

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