Nobelpreis 2001: ein neuer Materiezustand, der bei ultratiefen Temperaturen erreicht wird.
Seit Lord Kelvin 1848 das Konzept der absoluten Temperatur und des absoluten Nullpunkts einführte, streben Physiker danach, näher an die begehrte Nullmarke heranzukommen, an der die thermische Bewegung von Teilchen aufhören sollte. Die Intuition sagte den Wissenschaftlern, dass hier neue Phänomene und ungewöhnliches Verh alten der Materie zu erwarten seien. Ein halbes Jahrhundert nach der Veröffentlichung von Kelvins Arbeit, im Jahr 1908, gelang es der Niederländerin Heike Kamerling-Onnes, der Gründerin des Leiden-Labors, nach vielen Bemühungen, eine Temperatur zu erh alten, die nur 4,2 Grad vom absoluten Nullpunkt abweicht. Die Bemühungen waren nicht umsonst, die Intuition scheiterte nicht: 1911 entdeckte Kamerling-Onnes ein völlig neues physikalisches Phänomen, das bei niedrigen Temperaturen auftritt – die Supraleitung von Quecksilber, für die er 1913 den Nobelpreis für Physik erhielt. Das Ergebnis war tatsächlich verblüffend: Im supraleitenden Zustand nimmt der elektrische Widerstand nicht nur ab, sondern wird genau Null. Und der Strom im supraleitenden Ring kann beliebig lange frei fließen, wenn er nicht gestört wird. Aber das war noch nicht alles.
Ende der 30er Jahre wurde plötzlich entdeckt, dass auf 2,2 Kelvin abgekühltes Helium ungehindert durch jedes noch so kleine Loch dringt. Es muss gesagt werden, dass Helium die einzige bekannte Substanz ist, die bei solch niedrigen Temperaturen noch flüssig bleibt. Eine neue ungewöhnliche Eigenschaft einer sehr k alten Flüssigkeit wurde von Petr Leonidovich Kapitsa untersucht und nannte sie Superfluidität.
Nach diesen Entdeckungen wurde klar, dass das Spiel die Kerze wert ist. Niedrige Temperaturen erwiesen sich als Fenster in die Quantenwelt. Denn wenn die chaotische Bewegung von Atomen, Molekülen und Elektronen praktisch zum Stillstand kommt, kommen die Quanteneigenschaften der Materie zum Vorschein. Hier, nachdem Sie den "Thermovorhang" losgeworden sind, können Sie sehen, wie alles wirklich funktioniert! Tatsächlich war es nur mit Hilfe der Quantenmechanik möglich, endlich zu erklären, warum Materialien ihre Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen so radikal ändern: Supraleitung tritt in Festkörpern auf, und Suprafluidität tritt in Flüssigkeiten auf.
Kondensationshypothese
Es mag paradox erscheinen, aber die theoretischen Grundlagen dieser Erklärungen wurden von einem Mann gelegt, der nie mit den Prinzipien der Quantenmechanik einverstanden war. 1925 stellte Albert Einstein, der die Ideen des indischen Physikers Shatyendranath Bose weiterführte, eine kühne Hypothese über das Verh alten von Materie bei niedrigen Temperaturen vor und sagte ein neues Phänomen voraus, das später als Bose-Einstein-Kondensation bekannt wurde.
Stellen wir uns Gasmoleküle in einem Gefäß vor, die sich willkürlich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in verschiedene Richtungen bewegen. Wenn wir die Geschwindigkeiten aller Moleküle messen wollen, werden wir sehen, dass wir sogar bei Raumtemperatur auf solche stoßen, die fast stillstehen oder im Gegenteil mit großer Geschwindigkeit fliegen. Aber solche exotischen Fälle wird es nur wenige geben. Vor allem finden wir "durchschnittlich" - solche, die weder schnell noch langsam fliegen, sondern ungefähr in Übereinstimmung mit der Umgebungstemperatur. Je niedriger die Temperatur wird, desto langsamer und langsamer bewegen sich die „Mittellinge“und desto mehr Partikel stoppen vollständig und haben eine Geschwindigkeit von Null. Bei der Analyse dieses Verh altens von Molekülen kam Einstein zu einem erstaunlichen Ergebnis: Die Absenkung der Temperatur eines Gases kann schließlich dazu führen, dass nicht nur viele Teilchen, sondern die überwiegende Mehrheit von ihnen sich nicht mehr bewegt und an Ort und Stelle einfriert. Er nannte dieses Phänomen Kondensation, und das Gas selbst in diesem Zustand ist Kondensat.
Auf den ersten Blick scheint hier nichts Ungewöhnliches zu sein. Jeder weiß, dass die Temperatur mit der Bewegungsgeschwindigkeit von Molekülen zusammenhängt. Und die Tatsache, dass die Moleküle bei einer sehr niedrigen Temperatur fast vollständig stehen bleiben, widerspricht keineswegs unseren üblichen Vorstellungen. Aber aus quantenmechanischer Sicht ist das ein ganz besonderer Zustand. Kondensatteilchen mit der gleichen Nullgeschwindigkeit sind grundsätzlich nicht zu unterscheiden, sie haben die gleiche Masse, Energie, Ladung und alle anderen Parameter. Außerdem befinden sie sich alle gleichzeitig am selben Ort, und jeder von ihnen ist über den gesamten vom Kondensat eingenommenen Raumbereich „verschmiert“. Dieser Zustand der Physik wird als Kohärenz bezeichnet. Daher besteht das Bose-Einstein-Kondensat nicht nur aus unbeweglich eingefrorenen Atomen. Es unterscheidet sich von gewöhnlichem gekühltem Gas in der gleichen Weise, wie sich ein Laserstrahl vom Licht einer gewöhnlichen Glühlampe unterscheidet.
Umgangsbeweise
Lange Zeit blieben Einsteins Schlussfolgerungen nichts weiter als eine Hypothese. Niemand konnte das Phänomen der Kondensation selbst beobachten. Um jedoch andere ungewöhnliche Eigenschaften von Substanzen bei niedrigen Temperaturen zu erklären, war diese Theorie praktisch. 1938 schlug Fritz London vor (und erwies sich als richtig), dass die in Helium beobachtete Suprafluidität nichts anderes als eine Folge der Bose-Einstein-Kondensation ist. Und zwanzig Jahre später, 1957, bauten John Bardeen, Leon Cooper und Robert Schrieffer auf der Grundlage von Einsteins theoretischen Ideen über Kondensat die Theorie der Supraleitung auf und erhielten dafür den Nobelpreis für Physik.
Aber ist es möglich, die Bose-Einstein-Gaskondensation direkt zu beobachten – also genau das Phänomen, das Einstein vorhergesagt hat?
Schneideexperiment
Die Frage blieb nicht weniger als siebzig Jahre offen. Um dies zu bejahen, war es notwendig, das Gas auf fantastische Temperaturen abzukühlen, die nur Milliardstel Grad vom absoluten Nullpunkt entfernt waren.
Im Jahr 1995 führten zwei Gruppen amerikanischer Wissenschaftler in zwei verschiedenen Laboratorien erfolgreiche Experimente durch und berichteten gleichzeitig von der Beobachtung eines neuen Materiezustands - eines Bose-Einstein-Kondensats. Am Joint Research Center des US National Institute of Standards und der University of Colorado erhielten Eric Cornell und Carl Wieman diesen Extremzustand für fast zweitausend Rubidium-Atome bei einer Temperatur von 20 Nanokelvin. Und dem Physikprofessor am Massachusetts Institute of Technology, Wolfgang Ketterle, gelang es, ein Kondensat aus hunderttausend Natriumatomen zu beobachten. 2001 erhielten alle drei Entdecker den Nobelpreis für Physik.
Magnetfalle
Wie so oft in der Experimentalphysik, arbeiten Wissenschaftler am Limit, Wunder an Einfallsreichtum. Um das Gas dieses Mal in einem Zustand der Bose-Einstein-Kondensation zu sehen, mussten sie also eine Reihe unterh altsamer Probleme lösen.
Zunächst musste ich aus einem Metall (Rubidium oder Natrium) ein Gas machen und es schaffen, es so abzukühlen, dass es nicht in einen festen Zustand zurückkehrt. Bei so niedrigen Temperaturen ist das Gas extrem instabil und neigt bei jeder Wechselwirkung mit der umgebenden Welt dazu, fest zu werden. Hier lag die Lösung auf der Hand – eine Magnetfalle, in der die Substanz von einem Magnetfeld festgeh alten wird. In einer solchen Falle ist es möglich, das Gas ausreichend lange im k alten Zustand zu speichern. Es gibt keine Wechselwirkung mit den Wänden des Gefäßes darin, da es keine Wände als solche gibt. Darüber hinaus kann man durch Veränderung des Magnetfelds das Verh alten von Gasatomen steuern. Übrigens können fliegende Moleküle ein solches System versehentlich zerstören, deshalb wurde die Falle mit Atomen in einer Vakuumanlage mit Hochvakuum platziert.
Kühlen
Aber das Gas wurde in zwei Stufen gekühlt. Zunächst wurde das Laserkühlverfahren verwendet, das vom russischen Physiker V. S. Letochow im Jahr 1968. Auf den ersten Blick widerspricht es unseren Vorstellungen über den Einsatz von Lasern. Schließlich ist ein Laserstrahl für uns in erster Linie ein Energieträger, er erhitzt Materie und hat sogar Zerstörungskraft. Wissenschaftler zwangen ihn jedoch, in eine andere Richtung zu handeln. Wenn Sie neugierig sind, wie sie es gemacht haben, lesen Sie die Seitenleiste.
Der nächste Schritt ist die Verdunstungskühlung. Die Idee dieser Methode ist einfach und elegant, und es stellte sich heraus, dass es das letzte Stück war, das nicht ausreichte, um dieses schrecklich k alte Rätsel zu lösen. In der Substanz, die wir in eine Falle gestellt haben und zu kühlen versuchen, befinden sich immer Teilchen, Atome oder Moleküle, die sich schneller bewegen als andere. Sie „wirbeln“über den Rest der leiseren Teilchen und verlassen die Falle, wenn sie sich über deren Grenzen befinden. Wenn alle Schnellsten wegfliegen, senken wir die Grenzen der Falle. Auch hier werden wir warten, bis die Effizientesten davonfliegen, und wieder werden wir die Barriere verringern. So bleiben nach und nach nur noch die langsamsten, kältesten Atome in unserer Falle, sofern überhaupt noch etwas übrig ist.
Wir müssen der Experimentierkunst Tribut zollen. Es gelang ihnen, dieses heikle Verfahren durchzuführen, während sie genügend Atome zurückhielten, um das faszinierende Bild der Bose-Einstein-Kondensation zu sehen.
Bewerbungsperspektive
Seit einigen Jahren konzentrieren sich die Bemühungen der Wissenschaftler hauptsächlich auf die Grundlagenforschung zum Bose-Einstein-Kondensat, aber praktische Ideen ließen nicht lange auf sich warten. Wir haben bereits erwähnt, dass das Bose-Kondensat die gleiche wichtige Unterscheidungseigenschaft wie ein Laserstrahl hat – Kohärenz (mit anderen Worten, die Identität aller seiner Elemente). Daher wurde das Gerät, das einen Atomstrahl im Zustand von Bose-Kondensat aussendet, als "Atomlaser" bezeichnet. Der Bau eines Atomlasers wurde erstmals 1996 von Physikern des Massachusetts Institute of Technology angekündigt, und 1999 demonstrierten Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts in Deutschland ein Gerät, das einen kohärenten Strahl von Rubidiumatomen mit einer Dauer von etwa 100 ms aussendete.
Ein Strahl ultrak alter Atome eines Atomlasers kann mit einer Genauigkeit von einem Millionstel Millimeter fokussiert werden. Damit werden feinste Strukturen aus Atomen buchstäblich „ausgelegt“und Nanostrukturen auf Oberflächen erzeugt. Mit einem Atomlaser wird es möglich sein, phantastisch genaue Atomuhren und Gyroskope für Navigationssysteme zu bauen.
Und es besteht auch die Hoffnung, dass neue Technologien es ermöglichen, die Schlussfolgerungen der Allgemeinen Relativitätstheorie unter irdischen Bedingungen zu überprüfen. Vielleicht hat der weise Einstein damit gerechnet?
