Bose-Einstein-Kondensat

Die Anfänge

Anfang 1920er: Sathendra Nath Bose stellt Regeln auf, die bestimmen, wann Photonen identisch sind und wann nicht (Bose-Statistik).
Albert Einstein erweitert diese Theorie auf Atome und kommt zu dem Schluss, dass bei sehr tiefen Temperaturen etwas seltsames passiert.
Die meisten Atome müssen dann im selben Quantenzustand sein, dies gilt jedoch nur für Bosonen, nicht für Fermionen.
Bedeutung: Atome sind nicht mehr unterscheidbar, sie sind alle identisch und durch eine einzige Wellenfunktion beschreibbar.
In einem BEC befinden sich die Atome alle am selben Ort !

Die Bestätigung der Vorraussagen von Bose und Einstein gelang erst 70 Jahre später.
1995 erschaffen Cornell und Wieman (Boulder) und unabhängig davon Ketterle (MIT) das erste BEC.
2001 bekamen alle drei dafür den Nobelpreis für Physik.
Kühltechnik: zuerst Laserkühlen, dann Verdampfungskühlen
Die notwendige Ausrüstung war vergleichweise billig: 100.000 $.
Temperatur, die zur Bildung eines BEC erreicht werden muss: kleiner als 1 millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt - das ist eine million mal kälter als der intergalaktische Raum.

Je mehr sich Atome bewegen, desto wärmer ist es. Man muss also die Bewegung der Atome bremsen.
Prinzip:
Photonen eines Lasers kommen aus einer Richtung. Atome absorbieren die Photonen und re-emittieren sie wieder in eine beliebige Richtung. Dies erzeugt netto "Druck" in eine Richtung, Atome aus dieser Richtung werden gebremst.
Problem:
Photon muss exakt die richtige Wellenlänge (Farbe) haben, um absorbiert werden zu können. Dies ist technisch sehr schwierig.
Nobelpreis 1997 (Chu, Cohen-Tannoudji, Phillips)
Atome bewegen sich, sehen auf Grund der Dopplerverschiebung die Photonen also rot- bzw blauverschoben.
Man verstimmt nun den Laser etwas, so dass die Photonen mit Hilfe der Dopplerverschiebung nur für bestimmte (dem Laserstrahl entgegenlaufende) Atome die richtige Farbe haben und diese abbremsen.
Auf die anderen Atome wirken die Photonen nicht, da sie die falsche Farbe haben.
Praxis: Laser aus allen Raumrichtungen, die Farbe des Lasers wird durchgestimmt.
Atome bewegen sich langsamer, werden kälter. Es ensteht ein optischer Sirup.
Erreichbare Temperatur: etwa ein zehntausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, immer noch zu heiss für ein BEC.

Mit Laser kann man nicht weiter abkühlen, da die Photonen den Atomen immer kleine Stöße versetzen, die Atome also nie zur Ruhe kommen.
Neues Prinzip: Verdampfungskühlen mit einer magnetischen Falle.
Ein starkes Magnetfeld zieht an den magnetischen Momenten der Atome und hält sie, bei geeigneter Geometrie des Magnetfeldes, in der Mitte der Zelle.
Die energiereichsten Atome lässt man jetzt aus der Falle entweichen. Der Rest wird dadurch kühler (vgl. heisser Kaffee).
Durch vorsichtiges Absenken des Potentialwalles kann man den Abkühlvorgang beschleunigen und es bleiben dennoch viele Atome gefangen.

Ab etwa 200 milliardstel Grad beginnt sich ein Klumpen in der Mitte der Magnetfalle zu bilden.
Die Atome im Zentrum fallen alle in den gleichen Quantenzustand und sammeln sich am selben Ort.

Es ist viel zu neu (10 Jahre), um das sagen zu können.
Es ist unglaublich zerbrechlich.
Es ist bisher nur in geringsten Mengen herstellbar (etwa 10⁷ Atome).
Ein BEC gelingt bisher nur mit wenigen Atomsorten: ⁷Li, ²³Na, ⁴⁰Ca, ⁴¹K, ⁵²Cr, ⁸⁵Rb, ⁸⁷Rb, ¹³³Cs, ¹⁷⁴Yb
Ein BEC ist einem Laserlicht sehr ähnlich.
Man kann vielleicht eines Tages ein BEC so einsetzen wie einen Laser (Atomlaser), zB um Strukturen herzustellen (Mikrochips).....