Quantenzustand extrem kalter Materie

Grunddefinition BEC

• Extrem niedrige Temperatur
• Quantenmechanischer Zustand
• Nur für Bosonen

Ein Bose-Einstein-Kondensat entsteht, wenn Bosonen auf Temperaturen nahe 0 Kelvin abgekühlt werden. Die Teilchen besetzen dann denselben quantenmechanischen Grundzustand und verhalten sich wie ein einziges makroskopisches Quantensystem.

Temperaturbereich

• Nahe absoluter Nullpunkt
• Milliardstel Kelvin
• Thermische Bewegung fast null

Bei Temperaturen von wenigen Nanokelvin kommt die thermische Bewegung der Atome nahezu vollständig zum Erliegen. Dadurch dominieren quantenmechanische Effekte, die im Alltag normalerweise nicht sichtbar sind.

Teilchenverhalten

• Gemeinsame Wellenfunktion
• Keine individuelle Bewegung
• Kohärentes System

Im Bose-Einstein-Kondensat verlieren einzelne Atome ihre individuelle Identität. Stattdessen werden sie durch eine gemeinsame Wellenfunktion beschrieben, was zu kollektiven Quanteneffekten führt.

Superfluidität

• Reibungsfreier Fluss
• Keine Viskosität
• Wirbel nur quantisiert

Viele Bose-Einstein-Kondensate zeigen Superfluidität. Das bedeutet, dass die Flüssigkeit ohne Energieverlust fliessen kann. Rotation tritt nur in diskreten, quantisierten Wirbeln auf.

Erzeugung im Labor

• Laser- & Magnetfallen
• Verdampfungskühlung
• Ultrahochvakuum

BECs werden mithilfe von Laser- und Magnetfallen erzeugt. Durch Verdampfungskühlung werden die energiereichsten Atome entfernt, bis der Quantenzustand erreicht ist. Dies erfordert extrem präzise Laborbedingungen.

Typische Elemente

• Rubidium
• Natrium
• Lithium

Bose-Einstein-Kondensate werden meist mit Alkalimetallen erzeugt, da deren atomare Eigenschaften besonders gut kontrollierbar sind. Rubidium-87 ist eines der am häufigsten verwendeten Elemente.

Historische Entdeckung

• Vorhersage 1924
• Einstein & Bose
• Experiment 1995

Satyendra Nath Bose und Albert Einstein sagten diesen Materiezustand theoretisch voraus. Erst 1995 gelang es, ein Bose-Einstein-Kondensat experimentell herzustellen, wofür später der Nobelpreis verliehen wurde.
(Eric A. Cornell, Carl E. Wieman, Wolfgang Ketterle)

Bedeutung für die Forschung

• Quantenphysik
• Atomuhren
• Simulation kosmischer Phänomene

Bose-Einstein-Kondensate ermöglichen die Erforschung fundamentaler quantenmechanischer Effekte auf makroskopischer Skala. Sie werden unter anderem zur Entwicklung präziser Atomuhren und zur Simulation astrophysikalischer Prozesse genutzt.