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Das Bose-Einstein-Kondensat ("BEC" aus dem engl.: Bose-Einstein condensate) ist ein extremer Aggregatzustand eines Systems ununterscheidbarer Teilchen, in dem sich der überwiegende Anteil der Teilchen im quantenmechanischen Grundzustand befindet. Dies ist nur möglich, wenn die Teilchen Bosonen sind.
Theoretisch wurde dieser Zustand schon 1924 von Satyendra Nath Bose und Albert Einstein vorhergesagt. Die erstaunlichen Eigenschaften von flüssigem Helium bei tiefen Temperaturen wurden auf Bose-Einstein-Kondensation zurückgeführt, allerdings ist die direkte Beobachtung des Effekts in diesem System aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Teilchen ausgesprochen schwierig. Auch Versuche, Bose-Einstein-Kondensation in einem Gas aus polarisierten Wasserstoff-Atomen zu erreichen, führten zunächst nicht zum Erfolg. Im Jahr 2001 erhielten dann schließlich Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl E. Wieman den Nobelpreis für Physik für die Herstellung des ersten Bose-Einstein-Kondensats (1995) aus einem Gas von Rubidium bzw. Natrium-Atomen.
Der Phasenübergang von einem klassischen atomaren Gas zu einem Bose-Einstein-Kondensat findet statt, wenn eine kritische Phasenraum-Dichte erreicht wird. Anschaulich kann man dies 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. Die Bose-Einstein-Kondensation beginnt, wenn die Wellenpakete der Teilchen so groß werden, dass sie beginnen zu überlappen. Daher ist es notwendig, die Dichte des Gases zu erhöhen und die Temperatur zu senken, um den Phasenübergang zu erreichen.
Zunächst werden die Atome durch Laserkühlung bis auf etwa 100 µK vorgekühlt. Sie bewegen sich dann nur noch um einige cm pro Sekunde und können so bequem in einer magnetischen oder optischen Falle gefangen werden. Allerdings sind zum Erreichen des Phasenübergangs sehr viel niedrigere Temperaturen notwendig, als mit den Methoden der Laserkühlung erreicht werden können. Deshalb wird anschließend evaporatives Kühlen benutzt, um die kritische Phasenraum-Dichte zu erreichen. Auf diese Weise ist es bis 2004 gelungen, Bose-Einstein-Kondensation für eine Vielzahl verschiedener Isotope ( 4He, 7Li, 23Na, 41K, 52Cr, 85Rb, 87Rb, 133Cs und 174Yb) zu erreichen, auch beim Wasserstoff war man schließlich erfolgreich, wenn auch mit etwas anderen Methoden.
Bose-Einstein-Kondensate sind makroskopische Quantenobjekte, in denen die einzelnen Atome vollständig delokalisiert sind, jedes Atom ist also überall innerhalb des Kondensates zugleich. Der Zustand kann daher durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben werden. Daraus resultieren faszinierende Eigenschaften wie Suprafluidität und Kohärenz über makroskopische Entfernungen. Letztere erlaubt Interferenz-Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten sowie die Herstellung eines so genannten Atomlasers, den man durch kontrollierte Auskopplung eines Teils der Materiewelle aus der Falle erhalten kann.
mfg
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Theoretisch wurde dieser Zustand schon 1924 von Satyendra Nath Bose und Albert Einstein vorhergesagt. Die erstaunlichen Eigenschaften von flüssigem Helium bei tiefen Temperaturen wurden auf Bose-Einstein-Kondensation zurückgeführt, allerdings ist die direkte Beobachtung des Effekts in diesem System aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Teilchen ausgesprochen schwierig. Auch Versuche, Bose-Einstein-Kondensation in einem Gas aus polarisierten Wasserstoff-Atomen zu erreichen, führten zunächst nicht zum Erfolg. Im Jahr 2001 erhielten dann schließlich Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl E. Wieman den Nobelpreis für Physik für die Herstellung des ersten Bose-Einstein-Kondensats (1995) aus einem Gas von Rubidium bzw. Natrium-Atomen.
Der Phasenübergang von einem klassischen atomaren Gas zu einem Bose-Einstein-Kondensat findet statt, wenn eine kritische Phasenraum-Dichte erreicht wird. Anschaulich kann man dies 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. Die Bose-Einstein-Kondensation beginnt, wenn die Wellenpakete der Teilchen so groß werden, dass sie beginnen zu überlappen. Daher ist es notwendig, die Dichte des Gases zu erhöhen und die Temperatur zu senken, um den Phasenübergang zu erreichen.
Zunächst werden die Atome durch Laserkühlung bis auf etwa 100 µK vorgekühlt. Sie bewegen sich dann nur noch um einige cm pro Sekunde und können so bequem in einer magnetischen oder optischen Falle gefangen werden. Allerdings sind zum Erreichen des Phasenübergangs sehr viel niedrigere Temperaturen notwendig, als mit den Methoden der Laserkühlung erreicht werden können. Deshalb wird anschließend evaporatives Kühlen benutzt, um die kritische Phasenraum-Dichte zu erreichen. Auf diese Weise ist es bis 2004 gelungen, Bose-Einstein-Kondensation für eine Vielzahl verschiedener Isotope ( 4He, 7Li, 23Na, 41K, 52Cr, 85Rb, 87Rb, 133Cs und 174Yb) zu erreichen, auch beim Wasserstoff war man schließlich erfolgreich, wenn auch mit etwas anderen Methoden.
Bose-Einstein-Kondensate sind makroskopische Quantenobjekte, in denen die einzelnen Atome vollständig delokalisiert sind, jedes Atom ist also überall innerhalb des Kondensates zugleich. Der Zustand kann daher durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben werden. Daraus resultieren faszinierende Eigenschaften wie Suprafluidität und Kohärenz über makroskopische Entfernungen. Letztere erlaubt Interferenz-Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten sowie die Herstellung eines so genannten Atomlasers, den man durch kontrollierte Auskopplung eines Teils der Materiewelle aus der Falle erhalten kann.
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