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Bose Einstein Kondensat Das nach Satyendranath Bose und Albert Einstein Abkürzung BEK englisch BEC ist ein extremer Aggr

Bose-Einstein-Kondensat

Das Bose-Einstein-Kondensat (nach Satyendranath Bose und Albert Einstein; Abkürzung BEK, englisch BEC) ist ein extremer Aggregatzustand eines Systems ununterscheidbarer Teilchen, in dem sich der überwiegende Anteil der Teilchen im selben quantenmechanischen Zustand befindet. Das ist nur möglich, wenn die Teilchen Bosonen sind und somit der Bose-Einstein-Statistik unterliegen.

Bose-Einstein-Kondensate sind makroskopische Quantenobjekte, in denen die einzelnen Bosonen vollständig delokalisiert sind. Dies wird auch als makroskopischer Quantenzustand bezeichnet. Die Bosonen sind vollständig ununterscheidbar. Der Zustand kann daher durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben werden.

Daraus resultierende Eigenschaften sind Suprafluidität, Supraleitung, Suprasolidität oder Kohärenz über makroskopische Entfernungen. Letztere erlaubt Interferenzexperimente mit Bose-Einstein-Kondensaten sowie die Herstellung eines Atomlasers, den man durch kontrollierte Auskopplung eines Teils der Materiewelle aus der das Kondensat haltenden Falle erhalten kann.

Entdeckung Bearbeiten

Theoretisch wurde 1924 – auf der Grundlage einer Arbeit von Satyendranath Bose über die Quantenstatistik von Photonen – von Albert Einstein vorhergesagt, dass ein homogenes ideales Bose-Gas bei tiefen Temperaturen kondensiert.

Daraufhin wurden die Supraflüssigkeits-Eigenschaften von flüssigem Helium bei Temperaturen unter 2,17 K auf die Bose-Einstein-Kondensation zurückgeführt. Allerdings ist die direkte Beobachtung des Effekts in diesem System ausgesprochen schwierig, weil hier die Wechselwirkung zwischen den Atomen nicht vernachlässigt werden kann. Daher befinden sich im Gegensatz zur Bose-Einstein-Theorie, die inzwischen experimentell in ultrakalten Gasen bestätigt wurde, bei suprafluidem Helium nicht maximal 100 %, sondern nur 8 % der Atome im Grundzustand.

Auch Versuche, eine Bose-Einstein-Kondensation in einem Gas aus polarisierten Wasserstoffatomen zu erreichen, führten zunächst nicht zum Erfolg.

Die ersten Bose-Einstein-Kondensate – bestehend aus Rubidium-Atomen – wurden im Juni und September 1995 experimentell von Eric A. Cornell und Carl E. Wieman am JILA bzw. von Wolfgang Ketterle, Kendall Davis und Marc-Oliver Mewes am MIT hergestellt. Im Jahr 2001 erhielten Cornell, Wieman und Ketterle dafür den Nobelpreis für Physik.

Existenzbedingungen Bearbeiten

Der Phasenübergang von einem klassischen atomaren Gas zu einem Bose-Einstein-Kondensat findet statt, wenn eine kritische Phasenraumdichte erreicht wird, das heißt, wenn die Dichte der Teilchen mit fast gleichem Impuls groß genug ist.

Anschaulich kann man das so verstehen: die Atome sind Quantenteilchen, deren Bewegung durch ein Wellenpaket dargestellt wird. Die Ausdehnung dieses Wellenpakets ist die thermische De-Broglie-Wellenlänge. Diese wird umso größer, je weiter die Temperatur sinkt. Erreicht die De-Broglie-Wellenlänge den mittleren Abstand zwischen zwei Atomen, so kommen die Quanteneigenschaften zum Tragen. In einem dreidimensionalen Ensemble setzt nun die Bose-Einstein-Kondensation ein. Daher ist es notwendig, die Dichte des Gases zu erhöhen und die Temperatur zu senken, um den Phasenübergang zu erreichen.

Im Rahmen der statistischen Physik lässt sich mit Hilfe der Bose-Einstein-Statistik die kritische Temperatur eines idealen Bosegases berechnen, unterhalb derer die Bose-Einstein-Kondensation einsetzt:

Dabei ist:

„Ideales Bosegas“ bedeutet, dass für die Berechnung ein unendlich ausgedehntes, homogenes, wechselwirkungsfreies Gas betrachtet wird. Der Einschluss der Atome im Fallenpotential und die Wechselwirkungen zwischen ihnen führen zu einer geringen Abweichung der tatsächlich beobachteten kritischen Temperatur vom berechneten Wert, die Formel gibt jedoch die richtige Größenordnung wieder. Für typische, experimentell realisierbare Parameter findet man Temperaturen von deutlich weniger als 100 nK, sogenannte ultratiefe Temperaturen.

Erzeugung Bearbeiten

Die übliche Methode zum Erzeugen von Bose-Einstein-Kondensaten aus Atomen besteht aus zwei Phasen:

  • Zunächst werden die Atome in einer magneto-optischen Falle gefangen und durch Laserkühlung vorgekühlt. Die Laserkühlung besitzt jedoch ein unteres Limit für Temperaturen (typischerweise etwa 100 µK), das durch den Rückstoß bei der spontanen Emission der Photonen bedingt ist.
  • Die mittlere Geschwindigkeit der so gekühlten Atome von nur noch einigen Zentimetern pro Sekunde ist jedoch klein genug, um sie in einer magnetischen oder optischen Falle zu fangen. Durch evaporative Kühlung, das heißt kontinuierliches Entfernen der energiereichsten Atome, wird die Temperatur der Atomwolke weiter gesenkt. Bei diesem Prozess werden meist über 99,9 % der Atome gezielt entfernt. So erreichen die verbleibenden Atome die nötige Phasenraumdichte, um den Phasenübergang in ein Bose-Einstein-Kondensat zu vollziehen.

Auf diese Weise gelang es bis 2004, bei ultratiefen Temperaturen von 100 nK und darunter Bose-Einstein-Kondensation für viele verschiedene Isotope zu erreichen (7Li, 23Na, 41K, 52Cr, 85Rb, 87Rb, 133Cs und 174Yb). Auch beim Wasserstoff war man schließlich erfolgreich, wenn auch mit etwas anderen Methoden.

Dass die oben genannten Gase bosonisches Verhalten zeigen und nicht – wie Festkörperphysiker oder Chemiker von Alkaliatomen erwarten würden – fermionisches (für welches das Pauli-Prinzip gelten würde), beruht auf einem subtilen Zusammenspiel von Elektronen- und Kernspin bei ultratiefen Temperaturen: Bei entsprechend niedrigen Anregungsenergien sind der halbzahlige Gesamtspin der Elektronenhülle der Atome und der ebenfalls halbzahlige Kernspin durch die schwache Hyperfeinwechselwirkung zu einem ganzzahligen Gesamtspin des Systems gekoppelt. Dagegen ist das Verhalten bei Raumtemperatur (die „Chemie“ der Systeme) allein durch den Spin der Elektronenhülle bestimmt, weil hier die thermischen Energien viel größer sind als die Hyperfeinfeld-Energien.

Im Jahr 2006 haben Demokritov und Mitarbeiter Bose-Einstein-Kondensation von Magnonen (quantisierten Spinwellen) bei Raumtemperatur erreicht, allerdings durch Anwendung optischer Pump-Prozesse.

2009 ist es erstmals der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt gelungen, ein Bose-Einstein-Kondensat aus Calcium-Atomen zu erzeugen. Solche Erdalkalimetalle haben – im Gegensatz zu den bisher verwendeten Alkalimetallen – einen eine Million Mal schmaleren optischen Übergang und sind dadurch für neuartige Präzisionsmessungen, z. B. von Gravitationsfeldern, verwendbar.

Im November 2010 berichtete eine Forschergruppe der Universität Bonn von der Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats aus Photonen. Die Photonen wurden in einem optischen Resonator zwischen zwei gekrümmten Spiegeln gefangen. Da eine Abkühlung von Photonen nicht möglich ist, wurden zur Einstellung eines thermischen Gleichgewichtes Farbstoffmoleküle in den Resonator gegeben. Die nach optischem Pumpen erfolgte Kondensation konnte in Form eines kohärenten gelben Lichtstrahls festgestellt werden. Nach Ansicht der Forschergruppe um Martin Weitz könne das photonische Bose-Einstein-Kondensat zur Herstellung kurzwelliger Laser im UV- oder Röntgenbereich genutzt werden.

Das erste Bose-Einstein-Kondensat im All wurde 2017 erzeugt. Dazu wurde die Rakete MAIUS mit einem VSB-30-Triebwerk auf dem European Space and Sounding Rocket Range gestartet und zu einem schwerelosen Parabelflug auf mehr als 240 km Höhe gebracht. Dort wurden in einer zuvor erzeugten Ultrahochvakuum-Kammer Rubidium-Atome per Diodenlaser in einer Magneto-optischen Falle durch evaporative Kühlung nahezu bis auf den Absoluten Nullpunkt gebracht. Das Bose-Einstein-Kondensat wurde dann per Atom-Chip erzeugt. Es wurde unter Schwerelosigkeit aus der Mitte der Falle entlassen, bevor per Magnetfeld kurz ein Harmonisches Potential angelegt und die Zustände per Mach-Zehnder-Interferometer gemessen wurden.

Am 21. Mai 2018 wurde das Experiment Cold Atom Laboratory (CAL) mit einer Cygnus-Fähre zur Raumstation ISS geflogen. Im Juni 2020 berichteten Forscher, damit dort erfolgreich BEK produziert zu haben.

Laut einer Studie mit womöglich erstmals auch experimentell supraleitendem BEK scheint es einen „fließenden Übergang“ zwischen BEK und BCS-Modalitäten zu geben.

Experimenteller Nachweis Bearbeiten

Dichteverteilung eines Bose-Einstein-Kondensats

Der Nachweis, dass tatsächlich ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugt wurde, erfolgt bei atomaren Gasen meistens mit Hilfe von Absorptions-Abbildungen nach einer Flugzeit.

Dazu wird die Falle, in der das Gas gefangen war, schlagartig abgeschaltet. Daraufhin expandiert die Gaswolke und wird nach einer Flugzeit mit resonantem Laserlicht bestrahlt. Die Photonen des Strahls werden von den Atomen der Gaswolke gestreut, der Strahl also effektiv geschwächt. Der entstandene (Halb-)Schatten kann mit einer empfindlichen CCD-Kamera aufgenommen werden, aus seinem Bild lässt sich die Dichteverteilung der Gaswolke rekonstruieren.

Diese ist für Bose-Einstein-Kondensate anisotrop, während ein klassisches Gas im thermischen Gleichgewicht immer isotrop expandiert. In vielen Fällen ist die Dichteverteilung parabelförmig, was sich als Konsequenz der Wechselwirkung zwischen den Atomen verstehen lässt und das Bose-Einstein-Kondensat von einem idealen Bosegas unterscheidet.

Ähnliche Effekte Bearbeiten

  • Beim Fermionen-Kondensat basiert der Effekt ebenfalls auf Bosonen. Aufgrund des Pauli-Prinzips ist es nicht möglich, dass sich Fermionen im selben Zustand befinden. Dies gilt aber nicht für sich paarweise zu Bosonen zusammenschließende Fermionen, die dann als Bosonen ein Kondensat bilden können.

Literatur Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

Commons: Bose-Einstein-Kondensat – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Albert Einstein: Quantentheorie des einatomigen idealen Gases. (Handschriftliches Manuskript, entdeckt im August 2005 am Lorentz-Institut für Theoretische Physik der niederländischen Universität Leiden) 1924, abgerufen am 21. März 2010.
  2. Albert Einstein: Quantentheorie des einatomigen idealen Gases – Zweite Abhandlung. In: Sitzungsberichte der preussischen Akademie der Wissenschaften. 1925, S. 3–10 (leidenuniv.nl).
  3. (Memento vom 27. Dezember 2014 im Internet Archive) In: iqoqi.at. Österreichische Akademie der Wissenschaften, 10. November 2009, abgerufen am 10. September 2016.
  4. Michael Breu: Eingefroren. 100 Atome bei tiefsten Temperaturen: Quantenoptiker stellen eindimensionales Bose-Einstein-Kondensat her. In: ethz.ch. ETH Zürich, 26. Februar 2004, abgerufen am 6. Juni 2010.
  5. Demokritov SO, Demidov VE, Dzyapko O, et al.: Bose-Einstein condensation of quasi-equilibrium magnons at room temperature under pumping. In: Nature. 443. Jahrgang, Nr. 7110, September 2006, S. 430–3, doi:10.1038/nature05117, PMID 17006509.
  6. Patryk Nowik-Boltyk: Magnon Bose Einstein Kondensation einfach Dargestellt. In: uni-muenster.de. Westfälische Wilhelms-Universität, 6. Juni 2012, abgerufen am 10. September 2016.
  7. S. Kraft et al.: Bose-Einstein Condensation of Alkaline Earth Atoms: 40Ca. In: Phys. Rev. Lett. 103. Jahrgang, Nr. 13, S. 130401–130404, doi:10.1103/PhysRevLett.103.130401.
  8. Chilled light enters a new phase. In: nature.com. Nature News, 24. November 2010, abgerufen am 25. November 2010 (englisch).
  9. Bonner Physiker stellen neue Lichtquelle her. In: handelsblatt.com. Handelsblatt, 25. November 2010, abgerufen am 25. November 2010.
  10. (Memento vom 1. August 2017 im Internet Archive)
  11. V. Schkolnik et al.: A compact and robust diode laser system for atom interferometry on a sounding rocket, 2016, arXiv 1606.0027 (online)
  12. Ein Labor für „kältesten Punkt des Alls“ orf.at, 18. Mai 2018, abgerufen 18. Mai 2018.
  13. Start von Raumfrachter „Cygnus“ zur ISS verschoben orf.at, 19. Mai 2018, abgerufen 19. Mai 2018.
  14. Maike D. Lachmann, Ernst M. Rasel: Quantum matter orbits Earth. In: Nature. 582. Jahrgang, Nr. 7811, 11. Juni 2020, S. 186–187, doi:10.1038/d41586-020-01653-6, PMID 32528088, bibcode:2020Natur.582..186L.
  15. David C. Aveline, Jason R. Williams, Ethan R. Elliott, Chelsea Dutenhoffer, James R. Kellogg, James M. Kohel, Norman E. Lay, Kamal Oudrhiri, Robert F. Shotwell, Nan Yu, Robert J. Thompson: Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab. In: Nature. 582. Jahrgang, Nr. 7811, Juni 2020, S. 193–197, doi:10.1038/s41586-020-2346-1, PMID 32528092, bibcode:2020Natur.582..193A.
  16. Researchers demonstrate a superconductor previously thought impossible In: phys.org (englisch) „This is the first time a BEC has been experimentally verified to work as a superconductor; however, other manifestations of matter, or regimes, can also give rise to superconduction. The Bardeen-Cooper-Shrieffer (BCS) regime is an arrangement of matter such that when cooled to near absolute zero, the constituent atoms slow down and line up, which allows electrons to pass through more easily. This effectively brings the electrical resistance of such materials to zero. Both BCS and BEC require freezing-cold conditions and both involve atoms slowing down. But these regimes are otherwise quite different. For a long time, researchers have believed that a more general understanding of superconduction could be reached if these regimes could be found to overlap in some way.“ 
  17. Takahiro Hashimoto, Yuichi Ota, Akihiro Tsuzuki, Tsubaki Nagashima, Akiko Fukushima, Shigeru Kasahara, Yuji Matsuda, Kohei Matsuura, Yuta Mizukami, Takasada Shibauchi, Shik Shin, Kozo Okazaki: Bose-Einstein condensation superconductivity induced by disappearance of the nematic state. In: Science Advances. 6. Jahrgang, Nr. 45, 1. November 2020, ISSN 2375-2548, S. eabb9052, doi:10.1126/sciadv.abb9052, PMID 33158862, PMC 7673702 (freier Volltext) – (englisch, sciencemag.org).
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Das Bose Einstein Kondensat nach Satyendranath Bose und Albert Einstein Abkurzung BEK englisch BEC ist ein extremer Aggregatzustand eines Systems ununterscheidbarer Teilchen in dem sich der uberwiegende Anteil der Teilchen im selben quantenmechanischen Zustand befindet Das ist nur moglich wenn die Teilchen Bosonen sind und somit der Bose Einstein Statistik unterliegen Bose Einstein Kondensate sind makroskopische Quantenobjekte in denen die einzelnen Bosonen vollstandig delokalisiert sind Dies wird auch als makroskopischer Quantenzustand bezeichnet Die Bosonen sind vollstandig ununterscheidbar Der Zustand kann daher durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben werden Daraus resultierende Eigenschaften sind Suprafluiditat Supraleitung Suprasoliditat oder Koharenz uber makroskopische Entfernungen Letztere erlaubt Interferenzexperimente mit Bose Einstein Kondensaten sowie die Herstellung eines Atomlasers den man durch kontrollierte Auskopplung eines Teils der Materiewelle aus der das Kondensat haltenden Falle erhalten kann Inhaltsverzeichnis 1 Entdeckung 2 Existenzbedingungen 3 Erzeugung 4 Experimenteller Nachweis 5 Ahnliche Effekte 6 Literatur 7 Weblinks 8 EinzelnachweiseEntdeckung BearbeitenTheoretisch wurde 1924 auf der Grundlage einer Arbeit von Satyendranath Bose uber die Quantenstatistik von Photonen von Albert Einstein vorhergesagt dass ein homogenes ideales Bose Gas bei tiefen Temperaturen kondensiert 1 2 Daraufhin wurden die Supraflussigkeits Eigenschaften von flussigem Helium bei Temperaturen unter 2 17 K auf die Bose Einstein Kondensation zuruckgefuhrt Allerdings ist die direkte Beobachtung des Effekts in diesem System ausgesprochen schwierig weil hier die Wechselwirkung zwischen den Atomen nicht vernachlassigt werden kann Daher befinden sich im Gegensatz zur Bose Einstein Theorie die inzwischen experimentell in ultrakalten Gasen bestatigt wurde 3 bei suprafluidem Helium nicht maximal 100 sondern nur 8 der Atome im Grundzustand Auch Versuche eine Bose Einstein Kondensation in einem Gas aus polarisierten Wasserstoffatomen zu erreichen fuhrten zunachst nicht zum Erfolg Die ersten Bose Einstein Kondensate bestehend aus Rubidium Atomen wurden im Juni und September 1995 experimentell von Eric A Cornell und Carl E Wieman am JILA bzw von Wolfgang Ketterle Kendall Davis und Marc Oliver Mewes am MIT hergestellt 4 Im Jahr 2001 erhielten Cornell Wieman und Ketterle dafur den Nobelpreis fur Physik Existenzbedingungen BearbeitenDer Phasenubergang von einem klassischen atomaren Gas zu einem Bose Einstein Kondensat findet statt wenn eine kritische Phasenraumdichte erreicht wird das heisst wenn die Dichte der Teilchen mit fast gleichem Impuls gross genug ist Anschaulich kann man das so verstehen die Atome sind Quantenteilchen deren Bewegung durch ein Wellenpaket dargestellt wird Die Ausdehnung dieses Wellenpakets ist die thermische De Broglie Wellenlange Diese wird umso grosser je weiter die Temperatur sinkt Erreicht die De Broglie Wellenlange den mittleren Abstand zwischen zwei Atomen so kommen die Quanteneigenschaften zum Tragen In einem dreidimensionalen Ensemble setzt nun die Bose Einstein Kondensation ein Daher ist es notwendig die Dichte des Gases zu erhohen und die Temperatur zu senken um den Phasenubergang zu erreichen Im Rahmen der statistischen Physik lasst sich mit Hilfe der Bose Einstein Statistik die kritische Temperatur T C displaystyle T mathrm C nbsp eines idealen Bosegases berechnen unterhalb derer die Bose Einstein Kondensation einsetzt T C h 2 2 p m k B n 2 S 1 z 3 2 2 3 displaystyle T mathrm C frac h 2 2 pi cdot m cdot k mathrm B left frac n 2S 1 cdot zeta 3 2 right 2 3 nbsp Dabei ist h displaystyle h nbsp Planck Konstante m displaystyle m nbsp Masse der Teilchen k B displaystyle k mathrm B nbsp Boltzmann Konstante n displaystyle n nbsp Dichte der Teilchen S displaystyle S nbsp Spin der Teilchen z x displaystyle zeta x nbsp Riemannsche Zetafunktion z 3 2 2 612 4 displaystyle zeta 3 2 approx 2 6124 nbsp Ideales Bosegas bedeutet dass fur die Berechnung ein unendlich ausgedehntes homogenes wechselwirkungsfreies Gas betrachtet wird Der Einschluss der Atome im Fallenpotential und die Wechselwirkungen zwischen ihnen fuhren zu einer geringen Abweichung der tatsachlich beobachteten kritischen Temperatur vom berechneten Wert die Formel gibt jedoch die richtige Grossenordnung wieder Fur typische experimentell realisierbare Parameter findet man Temperaturen von deutlich weniger als 100 nK sogenannte ultratiefe Temperaturen Erzeugung BearbeitenDie ubliche Methode zum Erzeugen von Bose Einstein Kondensaten aus Atomen besteht aus zwei Phasen Zunachst werden die Atome in einer magneto optischen Falle gefangen und durch Laserkuhlung vorgekuhlt Die Laserkuhlung besitzt jedoch ein unteres Limit fur Temperaturen typischerweise etwa 100 µK das durch den Ruckstoss bei der spontanen Emission der Photonen bedingt ist Die mittlere Geschwindigkeit der so gekuhlten Atome von nur noch einigen Zentimetern pro Sekunde ist jedoch klein genug um sie in einer magnetischen oder optischen Falle zu fangen Durch evaporative Kuhlung das heisst kontinuierliches Entfernen der energiereichsten Atome wird die Temperatur der Atomwolke weiter gesenkt Bei diesem Prozess werden meist uber 99 9 der Atome gezielt entfernt So erreichen die verbleibenden Atome die notige Phasenraumdichte um den Phasenubergang in ein Bose Einstein Kondensat zu vollziehen Auf diese Weise gelang es bis 2004 bei ultratiefen Temperaturen von 100 nK und darunter Bose Einstein Kondensation fur viele verschiedene Isotope zu erreichen 7Li 23Na 41K 52Cr 85Rb 87Rb 133Cs und 174Yb Auch beim Wasserstoff war man schliesslich erfolgreich wenn auch mit etwas anderen Methoden Dass die oben genannten Gase bosonisches Verhalten zeigen und nicht wie Festkorperphysiker oder Chemiker von Alkaliatomen erwarten wurden fermionisches fur welches das Pauli Prinzip gelten wurde beruht auf einem subtilen Zusammenspiel von Elektronen und Kernspin bei ultratiefen Temperaturen Bei entsprechend niedrigen Anregungsenergien sind der halbzahlige Gesamtspin der Elektronenhulle der Atome und der ebenfalls halbzahlige Kernspin durch die schwache Hyperfeinwechselwirkung zu einem ganzzahligen Gesamtspin des Systems gekoppelt Dagegen ist das Verhalten bei Raumtemperatur die Chemie der Systeme allein durch den Spin der Elektronenhulle bestimmt weil hier die thermischen Energien viel grosser sind als die Hyperfeinfeld Energien Im Jahr 2006 haben Demokritov und Mitarbeiter Bose Einstein Kondensation von Magnonen quantisierten Spinwellen bei Raumtemperatur erreicht allerdings durch Anwendung optischer Pump Prozesse 5 6 2009 ist es erstmals der Physikalisch Technischen Bundesanstalt gelungen ein Bose Einstein Kondensat aus Calcium Atomen zu erzeugen Solche Erdalkalimetalle haben im Gegensatz zu den bisher verwendeten Alkalimetallen einen eine Million Mal schmaleren optischen Ubergang und sind dadurch fur neuartige Prazisionsmessungen z B von Gravitationsfeldern verwendbar 7 Im November 2010 berichtete eine Forschergruppe der Universitat Bonn von der Erzeugung eines Bose Einstein Kondensats aus Photonen 8 Die Photonen wurden in einem optischen Resonator zwischen zwei gekrummten Spiegeln gefangen Da eine Abkuhlung von Photonen nicht moglich ist wurden zur Einstellung eines thermischen Gleichgewichtes Farbstoffmolekule in den Resonator gegeben Die nach optischem Pumpen erfolgte Kondensation konnte in Form eines koharenten gelben Lichtstrahls festgestellt werden Nach Ansicht der Forschergruppe um Martin Weitz konne das photonische Bose Einstein Kondensat zur Herstellung kurzwelliger Laser im UV oder Rontgenbereich genutzt werden 9 Das erste Bose Einstein Kondensat im All wurde 2017 erzeugt Dazu wurde die Rakete MAIUS mit einem VSB 30 Triebwerk auf dem European Space and Sounding Rocket Range gestartet und zu einem schwerelosen Parabelflug auf mehr als 240 km Hohe gebracht 10 Dort wurden in einer zuvor erzeugten Ultrahochvakuum Kammer Rubidium Atome per Diodenlaser in einer Magneto optischen Falle durch evaporative Kuhlung nahezu bis auf den Absoluten Nullpunkt gebracht 11 Das Bose Einstein Kondensat wurde dann per Atom Chip erzeugt Es wurde unter Schwerelosigkeit aus der Mitte der Falle entlassen bevor per Magnetfeld kurz ein Harmonisches Potential angelegt und die Zustande per Mach Zehnder Interferometer gemessen wurden Am 21 Mai 2018 wurde das Experiment Cold Atom Laboratory CAL mit einer Cygnus Fahre zur Raumstation ISS geflogen 12 13 Im Juni 2020 berichteten Forscher damit dort erfolgreich BEK produziert zu haben 14 15 Laut einer Studie mit womoglich erstmals auch experimentell supraleitendem BEK scheint es einen fliessenden Ubergang zwischen BEK und BCS Modalitaten zu geben 16 17 Experimenteller Nachweis Bearbeiten nbsp Dichteverteilung eines Bose Einstein KondensatsDer Nachweis dass tatsachlich ein Bose Einstein Kondensat erzeugt wurde erfolgt bei atomaren Gasen meistens mit Hilfe von Absorptions Abbildungen nach einer Flugzeit Dazu wird die Falle in der das Gas gefangen war schlagartig abgeschaltet Daraufhin expandiert die Gaswolke und wird nach einer Flugzeit mit resonantem Laserlicht bestrahlt Die Photonen des Strahls werden von den Atomen der Gaswolke gestreut der Strahl also effektiv geschwacht Der entstandene Halb Schatten kann mit einer empfindlichen CCD Kamera aufgenommen werden aus seinem Bild lasst sich die Dichteverteilung der Gaswolke rekonstruieren Diese ist fur Bose Einstein Kondensate anisotrop wahrend ein klassisches Gas im thermischen Gleichgewicht immer isotrop expandiert In vielen Fallen ist die Dichteverteilung parabelformig was sich als Konsequenz der Wechselwirkung zwischen den Atomen verstehen lasst und das Bose Einstein Kondensat von einem idealen Bosegas unterscheidet Ahnliche Effekte BearbeitenBeim Fermionen Kondensat basiert der Effekt ebenfalls auf Bosonen Aufgrund des Pauli Prinzips ist es nicht moglich dass sich Fermionen im selben Zustand befinden Dies gilt aber nicht fur sich paarweise zu Bosonen zusammenschliessende Fermionen die dann als Bosonen ein Kondensat bilden konnen Literatur BearbeitenSatyendranath Bose Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese In Zeitschrift fur Physik Band 26 Springer Berlin Heidelberg 1924 S 178 181 doi 10 1007 BF01327326 englische Ubersetzung erschienen als Satyendranath Bose O Theimer Translator Budh Ram Translator The beginning of quantum statistics A translation of Planck s law and the light quantum hypothesis In American Journal of Physics Band 44 Nr 11 1976 doi 10 1119 1 10584 Albert Einstein Quantentheorie des einatomigen idealen Gases Zweite Abhandlung In Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin 1925 S 3 10 doi 10 1002 3527608958 ch28 Kai Bongs Jakob Reichel Klaus Sengstock Bose Einstein Kondensation Das ideale Quantenlabor In Physik in unserer Zeit Band 34 Nr 4 Wiley VCH 2003 ISSN 0031 9252 S 168 176 doi 10 1002 piuz 200301016 Jan Klaers Julian Schmitt Frank Vewinger Martin Weitz Bose Einstein Kondensat aus Licht In Physik in unserer Zeit Band 42 Nr 2 2011 S 58 59 doi 10 1002 piuz 201190007 uni bonn de PDF 196 kB Weblinks Bearbeiten nbsp Commons Bose Einstein Kondensat Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Bose Einstein Kondensation in einem Gas Nicht mehr online verfugbar iap uni bonn archiviert vom Original am 13 Juli 2013 abgerufen am 20 Juni 2016 Anschauliche Erlauterungen Wie kalt ist kalt Memento vom 13 Juli 2013 im Internet Archive Bose Einstein Kondensation Was ist das Memento vom 13 Juli 2013 im Internet Archive Magnetische Falle Memento vom 2 Februar 2013 im Internet Archive Verdampfungskuhlung Memento vom 2 Februar 2013 im Internet Archive Wie sieht ein Bose Einstein Kondensat aus Memento vom 3 Dezember 2012 im Internet Archive Online Skript mit ausfuhrlicher theoretischer Herleitung Ton Mitschnitt eines allgemein gehaltenen Vortrags des deutschen Physiknobelpreistragers Wolfgang Ketterle uber Bose Einstein Kondensate 1998 englisch Video von Wolfgang Ketterles Lesung Bose Einstein Condensates The Coldest Matter in the Universe Massachusetts Institute of Technology 11 Oktober 2001 englisch Bose Einstein Condensation of Photons Institute of Applied Physics an der Universitat Bonn abgerufen am 20 Juni 2016 Einzelnachweise Bearbeiten Albert Einstein Quantentheorie des einatomigen idealen Gases Handschriftliches Manuskript entdeckt im August 2005 am Lorentz Institut fur Theoretische Physik der niederlandischen Universitat Leiden 1924 abgerufen am 21 Marz 2010 Albert Einstein Quantentheorie des einatomigen idealen Gases Zweite Abhandlung In Sitzungsberichte der preussischen Akademie der Wissenschaften 1925 S 3 10 leidenuniv nl Erstes Bose Einstein Kondensat mit Strontiumatomen Memento vom 27 Dezember 2014 im Internet Archive In iqoqi at Osterreichische Akademie der Wissenschaften 10 November 2009 abgerufen am 10 September 2016 Michael Breu Eingefroren 100 Atome bei tiefsten Temperaturen Quantenoptiker stellen eindimensionales Bose Einstein Kondensat her In ethz ch ETH Zurich 26 Februar 2004 abgerufen am 6 Juni 2010 Demokritov SO Demidov VE Dzyapko O et al Bose Einstein condensation of quasi equilibrium magnons at room temperature under pumping In Nature 443 Jahrgang Nr 7110 September 2006 S 430 3 doi 10 1038 nature05117 PMID 17006509 Patryk Nowik Boltyk Magnon Bose Einstein Kondensation einfach Dargestellt In uni muenster de Westfalische Wilhelms Universitat 6 Juni 2012 abgerufen am 10 September 2016 S Kraft et al Bose Einstein Condensation of Alkaline Earth Atoms 40Ca In Phys Rev Lett 103 Jahrgang Nr 13 S 130401 130404 doi 10 1103 PhysRevLett 103 130401 Chilled light enters a new phase In nature com Nature News 24 November 2010 abgerufen am 25 November 2010 englisch Bonner Physiker stellen neue Lichtquelle her In handelsblatt com Handelsblatt 25 November 2010 abgerufen am 25 November 2010 MAIUS Atom optical experiments on sounding rockets Memento vom 1 August 2017 im Internet Archive V Schkolnik et al A compact and robust diode laser system for atom interferometry on a sounding rocket 2016 arXiv 1606 0027 online Ein Labor fur kaltesten Punkt des Alls orf at 18 Mai 2018 abgerufen 18 Mai 2018 Start von Raumfrachter Cygnus zur ISS verschoben orf at 19 Mai 2018 abgerufen 19 Mai 2018 Maike D Lachmann Ernst M Rasel Quantum matter orbits Earth In Nature 582 Jahrgang Nr 7811 11 Juni 2020 S 186 187 doi 10 1038 d41586 020 01653 6 PMID 32528088 bibcode 2020Natur 582 186L David C Aveline Jason R Williams Ethan R Elliott Chelsea Dutenhoffer James R Kellogg James M Kohel Norman E Lay Kamal Oudrhiri Robert F Shotwell Nan Yu Robert J Thompson Observation of Bose Einstein condensates in an Earth orbiting research lab In Nature 582 Jahrgang Nr 7811 Juni 2020 S 193 197 doi 10 1038 s41586 020 2346 1 PMID 32528092 bibcode 2020Natur 582 193A Researchers demonstrate a superconductor previously thought impossible In phys org englisch This is the first time a BEC has been experimentally verified to work as a superconductor however other manifestations of matter or regimes can also give rise to superconduction The Bardeen Cooper Shrieffer BCS regime is an arrangement of matter such that when cooled to near absolute zero the constituent atoms slow down and line up which allows electrons to pass through more easily This effectively brings the electrical resistance of such materials to zero Both BCS and BEC require freezing cold conditions and both involve atoms slowing down But these regimes are otherwise quite different For a long time researchers have believed that a more general understanding of superconduction could be reached if these regimes could be found to overlap in some way Takahiro Hashimoto Yuichi Ota Akihiro Tsuzuki Tsubaki Nagashima Akiko Fukushima Shigeru Kasahara Yuji Matsuda Kohei Matsuura Yuta Mizukami Takasada Shibauchi Shik Shin Kozo Okazaki Bose Einstein condensation superconductivity induced by disappearance of the nematic state In Science Advances 6 Jahrgang Nr 45 1 November 2020 ISSN 2375 2548 S eabb9052 doi 10 1126 sciadv abb9052 PMID 33158862 PMC 7673702 freier Volltext englisch sciencemag org Aggregatzustande Festkorper Flussigkeit Gas Plasma Bose Einstein Kondensat Normdaten Sachbegriff GND 4402897 0 lobid OGND AKS LCCN sh92005509 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Bose Einstein Kondensat amp oldid 238132399