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StartseiteForschung aktuellPaartanz auf coolem Parkett21.03.2007

Paartanz auf coolem Parkett

Tiefgekühlte Gaswolken liefern neue Einblicke in die Mechanismen der Supraleitung

Physik. - Was der Laser für Lichtteilchen bedeutet, das ist die Bose-Einstein-Kondensation für Atome: ein Durchbruch, der ganz neue Möglichkeiten eröffnet. Als es 1995 erstmals gelang, aus tiefgekühlten Gaswolken im Labor tatsächlich Bose-Einstein-Kondensate herzustellen, deren Atome im perfekten Gleichklang schwangen, war das ein Knüller, der den beteiligten Forschern sechs Jahre später den Nobelpreis einbrachte.

Von Ralf Krauter

Atome im Gleichschritt: Bose-Einstein-Kondensat. (CornellGroup)
Atome im Gleichschritt: Bose-Einstein-Kondensat. (CornellGroup)

Bose-Einstein-Kondensate sind tiefgekühlte Gaswolken, die es in sich haben. Bei Temperaturen, die nur milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen, verschmelzen die einzelnen Atome darin zu einem quantenmechanischen Kollektiv, in dem sie sozusagen alle im Gleichschritt marschieren. Vor Jahren brauchte es noch Tage und wohnzimmerfüllende Laseroptiken, um den exotischen Materiezustand herzustellen. Heute gelingt das auf Knopfdruck - und in der Regel noch vor dem Frühstück, sagt Wolfgang Ketterle vom MIT in Boston, der für seine Pionierarbeit auf dem Gebiet 2001 den Nobelpreis bekam. Aber trotz einer gewissen Routine. langweilig sei das Ganze noch nicht geworden, betont Ketterle.

"Wenn ich also mit wenigen Worten eins der größten Ziele meiner jetzigen Forschungsarbeit beschreibe, dann ist es, Beiträge zu leisten, damit man diese offenen Fragen bei der Supraleitung besser versteht."

Wie andere Forscher auch benutzt Wolfgang Ketterle Bose-Einstein-Kondensate heute als Werkzeug, um fundamentale Fragen der Physik anzugehen, allen voran das ungelöste Rätsel der vor 20 Jahren entdeckten keramischen Hochtemperatur-Supraleiter, die unterhalb einer Temperaturschwelle ihren elektrischen Widerstand verlieren. Welche Mechanismen dafür verantwortlich sind, ist bis heute unklar. Klar scheint nur, dass die stromleitenden Elektronen irgendwie paarweise zusammen finden.

"Und damit sind wir bei der Paarung von Elektronen."

Um herauszufinden, welche Kraft die Elektronenduos entstehen lässt, wäre ein Modellsystem hilfreich, mit dem sich ihre Paarung im Detail untersuchen lässt. Eine Wolke tiefgekühlter Lithium-Atome entpuppte sich als ideale Spielwiese dafür. Wegen ihres intrinsischen Drehimpulses sind die Atome des Lithium-Isotops 6 nämlich so genannte Fermionen - eine Klasse von Elementarteilchen, zu denen auch die Elektronen zählen. Bei tiefen Temperaturen lassen sie sich zur Paarbildung animieren. Der Clou dabei: Die Stärke der attraktiven Wechselwirkung lässt sich mit einem Magnetfeld stark variieren und genau kontrollieren.

"Wenn Fermionen sich paaren, müssen sich Fermionen in einem Zustand mit Fermionen im anderen Zustand paaren, das ist ähnlich wie ein Tanz zwischen Mann und Frau. Wir haben jetzt viel über die Paarung von Fermionen gelernt, indem wir sozusagen eine unterschiedliche Zahl von Männern und Frauen auf der Tanzfläche hatten. Wenn also die Symmetrie nicht mehr gegeben ist, dann kann man, um es übertragen zu sagen, viel über die menschliche Natur lernen. Wenn es ein Problem gibt, dann lernt man was. Und genauso schaffen wir für die Fermionen ein Problem, indem nicht jedes Fermion einen Partner haben kann. Die Frage ist, was passiert dann."

Die neuesten Experimente der MIT-Forscher belegen: Die Analogie zwischen einer Tanzgesellschaft und dem coolen Paartanz der Lithium-Atome im Magnetfeld ist frappierend: Die Paare konzentrieren sich in der Mitte der Tanzfläche, überzählige Singles warten am Rand auf ihren Einsatz, und erst wenn die partnerlosen Atome stark in der Überzahl sind, kommt der Paartanz in der Mitte zum Erliegen. Im Unterschied zu manch abgeblitzten Mann tragen es die Lithium-Atome dabei stets mit Fassung, wenn ihre Partnersuche erfolglos bleibt.

"Man muss natürlich dazu sagen, dass in der Quantenmechanik alle Atome identisch sind. Das heißt, wenn nur jedes zweite Atom einen Partner haben kann, dann schlagen sie sich nicht drum, sondern man findet einen Zustand, wo die Hälfte gepaart ist und die Hälfte bleibt außen vor. Aber vielleicht könnte man sagen, dass die Natur der Atome etwas schafft, was im Leben zwischen Mann und Frau nicht stattfindet. Nämlich: Alle Männer sind glücklich, weil sie mit 50 Prozent Wahrscheinlichkeit eine Frau gefunden haben - quantenmechanische Überlagerung macht es möglich."

Um ihre Erkenntnisse über den Paartanz der Fermionen auf die Elektronen in Supraleitern zu übertragen, arbeiten die MIT-Experten für ultrakalte Gase derzeit daran, ihr Bose-Einstein-Kondensat aus Lithium-Atomen in periodischen Strukturen aus Laserlicht einzufangen, die die regelmäßige Anordnung der Atome in einem Festkörper simulieren. Das Ziel dabei: Die Physik keramischer Supraleiter besser zu verstehen, um so vielleicht einmal Materialien entwickeln zu können, die überhaupt nicht mehr gekühlt werden müssen, um elektrischen Strom verlustfrei zu leiten.

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