Bose-Einstein-Kondensation

Bose-Einstein-Kondensation

 

[nach S. N. Bose und A. Einstein], englische Abkürzung BEC, Einstein-Kondensation, der Übergang eines aus gleichartigen Bosonen bestehenden Systems (für das die Bose-Einstein-Statistik gilt) in einen Zustand, in dem alle Teilchen im Grundzustand vorliegen, d. h. alle die gleiche, niedrigstmögliche Energie besitzen. Das Kondensat (Bose-Einstein-Kondensat) verhält sich dadurch wie ein einziges quantenmechanisches Teilchen und lässt sich durch eine einzige Wellenfunktion beschreiben. Ähnlich wie die Teilchen eines Laserstrahls auf einer Wellenlänge schwingen, sind beim Bose-Einstein-Kondensat alle Atome im Gleichtakt. Eine Bose-Einstein-Kondensation ist nur für Bosonen (und wie solche sich verhaltende Fermionenpaare) möglich, da diese im Gegensatz zu quasifreien, ungebundenen Fermionen einen Zustand gleicher Energie beliebig oft besetzen können. Sie wurde von A. Einstein 1923 für ideale Gase, bei denen außer direkten Zusammenstößen keine Wechselwirkung zwischen den Gasteilchen auftritt, vorhergesagt und dient zur qualitativen Erklärung der makroskopischen Quantenerscheinungen, die bei den aus Bosonen bestehenden Quantenflüssigkeiten auftreten können; Beispiele sind die Suprafluidität des Heliumisotops ⁴He (als Bose-Einstein-Kondensation der Heliumatome der Massenzahl 4) und auch des Heliumisotops ³He (als Bose-Einstein-Kondensation von bosonenartigen Paaren gebundener Heliumatome der Massenzahl 3) und die Supraleitung in verschiedenen Metallen (als Bose-Einstein-Kondensation der sich zu Cooper-Paaren bindenden Metallelektronen; BCS-Theorie). In diesen Quantenflüssigkeiten sind die Verhältnisse wegen der nicht zu vernachlässigenden Kräfte zwischen den Bosonen wesentlich komplizierter als bei idealen Gasen.

 

Der experimentelle Nachweis der Bose-Einstein-Kondensation verdünnter Gase wurde (1995) über die Kondensation von Rubidium- beziehungsweise Kaliumatomen in elektromagnetisches Fallen erbracht, wobei die Atome zunächst durch Laserkühlung auf Temperaturen im Mikrokelvinbereich gebracht und anschließend durch Verdampfungskühlung in einer Magnetfalle noch weiter gekühlt wurden. - Für die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten verdünnter Gase erhielten E. A. Cornell, W. Ketterle und C. E. Wieman 2001 den Nobelpreis für Physik. Bose-Einstein-Kondensate sind die Grundlage für den Bau von Atomlasern.

 

Literatur:

 

Bose-Einstein condensates and atom lasers, hg. v. S. Martellucci u. a. (New York 2000);

 C. Pethick, Christopher u. Henrik Smith: Bose-Einstein condensation in dilute gases (Cambridge 2002).