Bose-Einstein-Kondensat

Bose-Einstein-Kondensat, aus der Teilchenphysik stammende Bezeichnung für ein System, das sich aus Bosonen zusammensetzt, wobei alle Teilchen den gleichen quantenmechanischen Grundzustand einnehmen. In diesem Zustand verlieren die Bosonen praktisch ihre Teilcheneigenschaften und verhalten sich nur noch wie Wellen.

Obwohl die mögliche Existenz eines so genannten Bose-Einstein-Kondensats bereits seit den siebziger Jahren bekannt ist, gelang es erst 1995 den amerikanischen Physikern Eric A. Cornell und Carl E. Wieman, das erste Bose-Einstein-Kondensat aus einem Gas mit Rubidium-87-Atomen herzustellen. Die Gruppe um Wolfgang Ketterle am Massachusetts Institute of Technology (MIT) konnte 1996 ein weiteres Kondensat erzeugen. Diesem Team gelang später auch die Herstellung eines zweidimensionalen Bose-Einstein-Kondensats. Ketterle, Cornell und Wieman teilten sich für ihre Arbeit 2001 den Nobelpreis für Physik. Ein Bose-Einstein-Kondensat aus mehr als 50 000 Chromatomen wurde erstmals 2005 von einer Forschergruppe der Universität Stuttgart erzeugt.

Die Dichte r eines Systems mit Bosonen kann als die Anzahl der vorhanden Bosonen N pro Volumen V aufgefasst werden, d. h. r = N/V. Nun kann anhand der Bose-Einstein-Statistik gezeigt werden, dass diese Dichte maximal ist für µ = 0, d. h. für ein verschwindendes chemisches Potential. Außerdem wird die Dichte durch r_max = C · T^2/3 bestimmt. Demzufolge existiert bei einer gegebenen Dichte eine kritische Temperatur T_C = (r/C)^2/3, bei der r_max kleiner wird als r für Temperaturen kleiner T_C. Dies hat zur Folge, dass die Dichte nicht mehr mit der Bose-Einstein-Statistik angepasst werden kann. Als Ausweg wurde die Koexistenz zweier Phasen postuliert, der normalen Phase gemäß der Bose-Einstein-Statistik und einer anormalen Phase, dem Bose-Einstein-Kondensat, in der sich alle Bosonen im Grundzustand befinden.

Den Übergang von Bosonen in ein Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet man auch als Bose-Einstein-Kondensation. Mit Hilfe dieses Vorgangs gelingt es, bestimmte Quantenphänomene zu beschreiben. Ein Beispiel hierfür ist das supraflüssige Verhalten von Helium. Während ein Gas aus ⁴He bei etwa 4 Kelvin in eine Supraflüssigkeit übergeht, geschieht dies beim Isotop ³He erst bei noch tieferen Temperaturen, nahe dem absoluten Nullpunkt – unter 3 Millikelvin (tausendstel Kelvin). ⁴He-Atome haben einen ganzzahligen Spin, während ³He-Atome nur einen halbzahligen Spin aufweisen. Infolgedessen handelt es sich bei den ⁴He-Atomen um Bosonen, die der Bose-Einstein-Statistik gehorchen. Im Gegensatz dazu sind die ³He-Atome Fermionen, die der Fermi-Dirac-Statistik folgen. ³He-Atome werden erst durch Paarbildung bei tieferen Temperaturen zur Supraflüssigkeit.