Kernkonzept: Wie Bose-Einstein-Kondensate immer wieder seltsame Physik enthüllen

Vor ihrer Zeit

Um ein BEC zu erzeugen, müssen Physiker ein diffuses Gas von Atomen kühlen—Rubidium, in diesem ersten erfolgreichen Experiment—innerhalb weniger Millionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt. Das ist keine leichte Aufgabe, und Forscher verlassen sich normalerweise auf zwei Techniken. Die erste Technik ist die Laserkühlung, bei der Laser aus sechs Richtungen in das Gas strömen. Ein Atom, das sich zu einem Laser bewegt, absorbiert ein Photon und verlangsamt sich. Dann gibt es ein Photon in zufälliger Richtung frei., Über viele Wiederholungen der Absorption und Emission reduziert der Prozess die Geschwindigkeit der Atome und damit die Temperatur.

Die zweite Methode beinhaltet das Abschöpfen der wärmsten Atome; es heißt Verdunstungskühlung. Während dieser Phase hält eine magnetische Falle die Atome und energiereichere Atome können entweichen, wodurch die Gesamtenergie und damit die Temperatur der Probe gesenkt werden.,

„Es gibt nicht genug Zeit, um all die interessanten Dinge zu erforschen, die das System enthüllen kann“, sagt Sandro Stringari, theoretischer Physiker an der Universität Trient in Italien, der Superfluide in BECs und anderen Materialien studiert. Superfluide sind eine Phase der Materie mit Nullviskosität und Nullentropie, was bedeutet, dass sie überraschende Dinge tun, z. B. die Seiten von Gefäßen erklimmen, an denen sie gehalten werden. Überflüssiges Verhalten ist seit langem mit BECs verbunden, und Stringaris Forschung findet heraus, wo das eine beginnt und das andere beginnt. „Ich glaube noch nicht, dass alles untersucht wurde“, sagt Proukakis., „Es gibt viele Grenzen.“

BECs wurden aus einem Brief geboren. 1924 schrieb der indische Physiker Satyendra Nath Bose an Albert Einstein und teilte seine Erkenntnisse über ein bestehendes physikalisches Gesetz, das beschreibt, wie Licht und Materie interagieren. „Obwohl ich Ihnen völlig fremd bin, zögere ich nicht, eine solche Anfrage zu stellen“, schrieb Bose. „Wir sind alle deine Schüler, obwohl wir nur durch deine Lehren durch deine Schriften profitieren“ (7).

In seinem Brief stellte Bose die Ableitung des Gesetzes in Frage, das traditionelle statistische Methoden verwendete, um das Verhalten verschiedener Teilchen zu beschreiben., Licht wird jedoch von Photonen getragen, die als Teilchen oder Wellen bezeichnet werden können. Bose beschrieb einen neuen Ansatz zur Analyse von Teilchen wie Photonen. Inspiriert half Einstein, Boses Arbeit zu veröffentlichen. Ihre Zusammenarbeit führte zu einem neuen Werkzeug—Bose–Einstein—Statistik–und die Vorhersage neuer Materialien, Bose-Einstein-Kondensate.

Die Herstellung des Materials würde, wie sich herausstellte, Jahrzehnte dauern. Das liegt vor allem an der Schwierigkeit, so niedrige Temperaturen zu erreichen. Im Jahr 1937 entdeckten Physiker die Überflüssigkeit in einem auf 2 abgekühlten Heliumisotop.,2 Kelvin, und viele Physiker argumentierten, dass zumindest ein Teil eines Überfluids aus BECs bestand (8). Aber andere blieben skeptisch, und die Debatte ging weiter. Bei einem Treffen 1993 über den Stand der Quantenforschung argumentierten einige Physiker sogar, dass Quantenkondensate effektiv unmöglich zu machen seien; dass, obwohl die Theorie ihre Existenz unterstützte, der Staat unendliche Zeit brauchen würde, um sich zu bilden.,

Die erste eindeutige Demonstration eines BEC entstand 2 Jahre nach diesem Treffen 1995 von den Physikern Carl Wieman und Eric Cornell bei JILA (ehemals Joint Institute for Laboratory Astrophysics), einem Forschungsinstitut an der Universität von Colorado, Boulder (9). Das erste BEC bestand aus einem Gas von Rubidiumatomen. „Das hat ein neues Feld in der Quantenphysik eröffnet“, sagt Stringari. Innerhalb weniger Monate leitete der Physiker Wolfgang Ketterle am Massachusetts Institute of Technology die Entwicklung von BEC in Natrium., Im Jahr 2001 erhielten Wieman, Cornell und Ketterle den Nobelpreis für Physik für ihre bahnbrechende Arbeit.

Weitere Kondensate folgten. 1998 produzierten Forscher ein BEC in Wasserstoff. Seitdem haben Physiker BECs aus Atomen anderer Metalle wie Lithium, Kalium, Cäsium, Calcium, Strontium, Chrom und Ytterbium hergestellt. Sie haben auch bestätigt, dass “ es nicht genug Zeit gibt, all die interessanten Dinge zu erforschen, die das System enthüllen kann.“- Sandro Stringarisuperfluid Helium-4 hat eine BEC-Komponente, wie lange angenommen wurde.,

Physiker untersuchen weiterhin BECs, sagt Proukakis, denn nach Jahrzehnten der Feinabstimmung ihrer Methoden bieten die Experimente eine hervorragende Kontrolle über das Material, und die Herstellung von BECs erfordert Geräte, die gekauft werden können, ohne das Budget eines Forschungslabors zu sprengen. Die potenziellen Belohnungen sind hoch: Kreative Experimente isolieren die interessanteste Physik und zeigen neue Verrücktheit auf der Quantenskala. „Sie können sie sehr gut experimentell manipulieren und die interessanteste Physik isolieren“, sagt Proukakis.