Welche besonderen Eigenschaften besitzt ein Atomgas?

Abb.: Puneet Murthy

In einem Gas aus ultrakalten Lithiumatomen stoßen sich gleichartige Teilchen nach den Regeln der Quantenmechanik ab, während sich unterscheidbare Teilchen anziehen und Moleküle bilden können. Theoretische Physiker um Dr. Tilman Enss konnten nun – basierend auf einem Experiment in der Arbeitsgruppe von Prof. Selim Jochim – die Zustandsgleichung bestimmen. Sie besagt, wie sich je nach Anziehungskraft die Dichte des Quantengases ändert.

Mit einem Laborexperiment ist es Physikern am Zentrum für Quantendynamik der Universität Heidelberg gelungen, die sogenannte Zustandsgleichung für ein Atomgas zu bestimmen. Mit ihr können die thermodynamischen Eigenschaften dieses physikalischen Systems exakt beschrieben werden. Nach Angaben von Privatdozent Dr. Tilman Enss und Prof. Dr. Selim Jochim schafft diese Gleichung die Grundlage für weitere Experimente mit ultrakalten Atomen, die auf ein besseres Verständnis von Mechanismen der Supraleitung, also des verlustfreien Transports von elektrischen Strömen, zielen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

„Jeder kennt den Effekt, dass die Luft dünner wird, wenn man auf einen hohen Berg steigt. In der Physik wird dieser Effekt durch eine Zustandsgleichung beschrieben. Sie bestimmt in diesem Fall, wie sich die Dichte der Luft mit dem Abstand von der Erde ändert“, erläutert Dr. Enss vom Institut für Theoretische Physik. „Das gleiche Prinzip gilt in vielen Bereichen der Physik – von der Verteilung der Materie im Aufbau der Sterne bis hin zu Atomgasen, die wir neuerdings im Labor herstellen können“, betont Prof. Jochim, der am Physikalischen Institut forscht. Am Zentrum für Quantendynamik haben die Wissenschaftler nun die theoretischen Berechnungen von Tilman Enss und die von Selim Jochim aus Experimenten gewonnenen Erkenntnisse zusammengeführt. Im Mittelpunkt stand dabei ein auf eine Temperatur nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt gekühltes Atomgas.

Diese ultrakalten Atomgase sind für Physiker deshalb so interessant, da bei diesen extrem niedrigen Temperaturen die Effekte der Quantenphysik besonders deutlich zutage treten. Bei einer bestimmten Sorte von Teilchen – den sogenannten Fermionen – können zwei Atome niemals denselben Zustand einnehmen oder sich am selben Ort aufhalten. „Die Fermionen üben einen Druck auf gleichartige Teilchen aus und schieben sie beiseite, so dass die Dichte in einer Atomwolke nie zu groß wird“, sagt Prof. Jochim, dessen experimentelle Arbeitsgruppe diesen Effekt mit Hilfe von Lithiumatomen beobachten konnte. Der Druck zwischen den Fermionen führt dazu, dass die Atomwolke dünn und weit ausgedehnt ist.

Wissenschaftler in der theoretischen Physik haben sich schon lange mit der Frage beschäftigt, wie sich die Dichte des Gases ändert, wenn zusätzlich eine Anziehungskraft zwischen den Fermionen besteht. Diese wirkt dem Druck der Fermionen entgegen und bringt die Teilchen näher zusammen. „Bei hinreichender Anziehung bilden jeweils zwei Fermionen ein Paar. Nach den Regeln der Quantenphysik können sich solche Moleküle nun viel näher kommen als die ursprünglichen Fermionen. Wie genau dies für Teilchen geschieht, die sich in einer Ebene bewegen, ist eine wichtige aktuelle Frage“, erklärt Dr. Enss. Die Atomgase sind auch deshalb von großem Interesse für die Forschung, da sie viele universelle Eigenschaften aufweisen, die sich in ganz anderen physikalischen Situationen wiederfinden. So können aus der Zustandsgleichung eines Atomgases zum Beispiel Rückschlüsse über den Aufbau bestimmter Sterne gezogen werden.

Wie die Zustandsgleichung von der Anziehung der Teilchen abhängt, lässt sich im Experiment besonders gut mit ultrakalten Atomen messen. Für sie lässt sich künstlich eine Anziehungskraft von nahezu beliebiger Stärke erzeugen. Prof. Jochim konnte mit seiner Arbeitsgruppe beobachten, dass sich bei starker Anziehung in der Mitte der Atomwolke ein dichterer Kern herausbildet. Die theoretischen Physiker Dr. Enss und Dr. Igor Boettcher haben nun aus der Analyse der experimentellen Daten die Zustandsgleichung rekonstruiert. Sie konnten damit ihre eigenen theoretischen Vorhersagen bestätigen. Dabei sind die Forscher insbesondere an der Situation interessiert, in der sich die Atome in einer Ebene bewegen. Das Atomgas weist dann Ähnlichkeit mit geschichteten Materialien auf, die auch bei relativ hoher Temperatur supraleitend sind. Die nun bestimmte Zustandsgleichung ist nach Angaben der Heidelberger Forscher eine Grundlage für künftige Experimente, mit denen die Mechanismen der sogenannten Hochtemperatur-Supraleitung besser verstanden werden sollen.

Für ihre Veröffentlichung in den „Physical Review Letters“ erhielten die Heidelberger Wissenschaftler die „Editors' Suggestion“, die Auszeichnung als Empfehlung der Redaktion. Sie wurde außerdem in einem „Viewpoint“ im Magazin „Physics“ hervorgehoben.