Mini-Explosion Supernova blubbert im Labor

Bei extrem tiefen Temperaturen können Atome allerlei Kunststücke anstellen: Nicht nur dass die einzelnen Teilchen ein Kollektiv bilden, mitunter zetteln sie auch eine kleine Revolution an.


Animation anschauen (130 KB): Die Explosion einer Bosenova

Die physikalische Welt könnte so einfach sein: Es gibt drei grundlegende Aggregatzustände, lernen Schüler im Physikunterricht - fest, flüssig und gasförmig. Von einem Plasma, bei dem die Atome ihrer Elektronen beraubt werden und fortan seltsame Eigenschaften aufweisen, ist da noch nicht die Rede.

"Bosenova": Explosion im Reagenzglas
NIST

"Bosenova": Explosion im Reagenzglas

Aber das Kuriositätenkabinett der Physiker offenbart noch viel mehr Schätze. Bereits 1924 stellten der Nobelpreisträger Albert Einstein und der indische Physiker Satyendra Bose die These auf, dass sich eine Vielzahl von Atomen nahe dem absoluten Nullpunkt der Temperatur wie ein einziges Superteilchen verhalten können. Ein Zustand, den die beiden passenderweise Bose-Einstein-Kondensat nannten.

Doch es sollten mehr als 70 Jahre vergehen, bis die abenteuerlich erscheinende Theorie von Einstein und Bose auch experimentell nachgewiesen werden konnte. Erst 1995 gelang es einer Gruppe von Forschern der University of Colorado und des National Institute of Standards and Technology im US-amerikanischen Boulder, die notwendigen Extremtemperaturen zu erreichen. Bei einigen Milliardstel Kelvin, nur ganz knapp über dem absoluten Nullpunkt, gaben die untersuchten Rubidium-87-Isotope ihren freien Willen ab und ordneten sich dem Kollektiv unter. Das Bose-Einstein-Kondensat war geboren.

Jetzt hat die Gruppe um Carl Wieman noch einmal nachgelegt. Wie bereits auf einer Konferenz im April angekündigt, berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature" über seltsame Effekte im Kondensat. Einmal unter den Einfluss eines magnetischen Feldes gesetzt, ist das Superatom offenbar nicht so stabil wie zunächst gedacht.

Anders als 1996 untersuchte das Team aus Colorado diesmal die etwas leichteren Rubidium-85-Isotope, die sich bis zu einer Temperatur von drei Milliardstel Grad Kelvin abkühlen ließen - nach Angaben der Forscher die tiefste bislang erreichte Temperatur.

So weit, so stabil: Doch als Wieman und Eric Cornell das Kondensat mit magnetischen Feldern traktierten, offenbarten sich erstaunliche Effekte. So war es möglich, das Kollektiv so stark zum Schrumpfen zu bringen, dass es sich anschließend ruckartig ausdehnte - vergleichbar mit der Explosion eines Sternes, der so genannten Supernova, im mikroskopischen Maßstab. Folgerichtig tauften die Forscher ihren explodierenden Atomklumpen auch "Bosenova".

Die Miniaturexplosion verlief dabei alles anderes als gleichmäßig: Wie Wieman und Kollegen berichten, entstanden bereits bei der Kontraktion einzelne Klumpen, die letztlich dazu führten, dass in eine bestimmte Richtung deutlich mehr Energie freigesetzt wurde als erwartet. Zugleich verschwand bei der Explosion die Hälfte der ursprünglichen Atome. Zurück blieb ein kleines, köchelndes Kondensat.

Eigentlich sollte ein derartiges System ja stabil und einfach zu charakterisieren sein, schreiben die Forscher. "Doch unsere Messungen offenbaren viele Phänomene, die die theoretischen Vorhersagen auf eine harte Probe stellen."

So lassen sich die Kräfte zwischen den einzelnen Atomen - seien sie nun anziehend oder abstoßend - problemlos durch das anliegende Magnetfeld einstellen. Das freut Wiemann besonders: "Endlich sind wir zur Sache gekommen und können ein neues Material auf neuen Wegen manipulieren."

Alexander Stirn



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