Grundlagen der Physik: Neue Materieform entdeckt

Fest, flüssig und gasförmig - im Alltag kommt man nur mit diesen drei Aggregatzuständen in Kontakt. Physiker aber haben nach einer vierten und fünften nun die sechste Materieform entdeckt: das Fermionen-Kondensat. Sie hoffen auf einen Durchbruch auf dem Weg zum Zimmertemperatur-Supraleiter.

Fermionen-Kondensat: Die Diagramme zeigen die Zunahme der Wechselwirkung zwischen Atompaaren bei abnehmendem Magnetfeld
University of Colorado

Fermionen-Kondensat: Die Diagramme zeigen die Zunahme der Wechselwirkung zwischen Atompaaren bei abnehmendem Magnetfeld

Das neu entdeckte Fermionen-Kondensat erweitert die fünf bekannten Materieformen zu einem Sextett. Bislang kannten die Physiker nur die Zustände fest, flüssig, gasförmig sowie das Plasma und seit 1995 das Bose-Einstein-Kondensat - eine fast auf den absoluten Nullpunkt abgekühlte Teilchenmenge, in der sich die Atome wie ein einziges Objekt verhalten.

Die Neuentdeckung ähnelt dem Bose-Einstein-Kondensat, berichtet die Physikerin Deborah Jin vom Joint Institute for Laboratory Astrophysics (Jila) im US-Staat Colorado. Die Materieform besteht jedoch nicht aus Bosonen, also Teilchen mit ganzzahligem Spin wie Alpha-Teilchen und Photonen, sondern aus Fermionen, der anderen Abteilung des Teilchenzoos mit halbzahligem Spin. Dazu gehören unter anderem Protonen, Neutronen und Elektronen.

Vor der Kondensatbildung: Die Tänzer scheinen sich unabhängig zu bewegen
University of Colorado

Vor der Kondensatbildung: Die Tänzer scheinen sich unabhängig zu bewegen

Die Forscher kühlten ein Gas aus einer halben Million Kalium-Atomen auf 50 Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, der bei Minus 273 Grad Celsius liegt. Normalerweise würden sich die Fermionen bei dieser Temperatur abstoßen. Durch ein angelegtes Magnetfeld ordneten sie sich jedoch zu synchronen Paaren - ein Kondensat entstand.

Per Definition könnten zwei Fermionen eigentlich nicht exakt den gleichen Zustand haben, berichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters". Für Physiker sei der Begriff Fermionen-Kondensat deshalb ein Widerspruch in sich.

"Das ist ein wissenschaftlicher Durchbruch, der ein neues quantenmechanisches Verhalten offenbart", sagte Jin. Die Physiker hoffen, damit dem Geheimnis der Hochtemperatur-Supraleitung auf die Spur zu kommen. Im supraleitenden Zustand verschwindet jeglicher elektrischer Widerstand. Derartige Materialien könnten, wenn sie preisgünstig verfügbar wären, viele Geräte und Technologien revolutionieren.

Metapher für Fermionen-Kondensat: Die Personen tanzen paarweise
University of Colorado

Metapher für Fermionen-Kondensat: Die Personen tanzen paarweise

"Die Stärke der Paarung im Fermionen-Kondensat entspricht den Verhältnissen in einem Supraleiter bei Zimmertemperatur", berichtet Yin. Sie ist optimistisch, dass die Erkenntnisse über das Fermionen-Kondensat helfen könnten, alltagstaugliche Supraleiter zu entwickeln.

Die Temperatur, bei der Metalle oder Legierungen supraleitend werden, hängt von der Stärke der Wechselwirkung zwischen den Elektronen ab. Die höchste derzeit bekannte Temperatur, bei der Supraleitung auftritt, liegt bei Minus 135 Grad Celsius.

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