Gesundheit: Bose-Einstein-Kondensat: Atomwolken, so dicht wie das Gas der Zwergsterne

Bei extrem tiefen Temperaturen scheiden sich die atomaren Geister. Manche Atome (Fermionen) bleiben Individualisten. Andere (Bosonen) hingegen gehen in einer Masse auf, in der sie sich durch nichts mehr von ihren Nachbarn unterscheiden. Sie laufen dann in einer Materiewelle im Gleichtakt. 1995 haben Forscher erstmals eine solche von Albert Einstein vorhergesagte Tiefkühlkumpanei beobachtet: ein Bose-Einstein-Kondensat. Es lässt sich mittlerweile in einen - trotz aller Bemühungen allerdings nur winzigen - Atomlaser verwandeln.

Jetzt haben Physiker der Rice Universtät im amerikanischen Houston erstmals ein Gasgemisch aus beiden Atomsorten, aus Bosonen und Fermionen, so weit abgekühlt, dass sie ihr unterschiedliches Verhalten beobachten konnten. Sie versetzten die Atome dabei in einen Zustand, den Astrophysiker auch im Innern verglühter Sterne, der Weißen Zwergsterne, vermuten.

Randall Hulet und seine Kollegen wählten für ihr Experiment zwei Sorten von Lithium-Atomen aus: Lithium-6 ist aus drei Neutronen, drei Protonen und drei Elektronen aufgebaut und gehört zur Familie der Fermionen. Lithium-7 besitzt lediglich ein zusätzliches Neutron. Es zählt damit zu den Bosonen und wird in zahlreichen Physiklabors zur Herstellung von Bose-Einstein-Kondensaten verwendet.

Die Hauptschwierigkeit für die Experimentatoren bestand darin, das Gasgemisch im Ultrahochvakuum bei Temperaturen einzufrieren, die nur wenige milliardstel Grad über dem absoluten Kältepunkt von minus 273 Grad Celsius liegen. Gleichzeitig musste das Gas jedoch so dicht sein, dass eine Materiewelle entstehen konnte. Dies gelang den US-Wissenschaftlern schrittweise in einer trickreichen Kombination aus verschiedenen Kühltechniken.

Die Forscher hielten die unter anderem mit Hilfe von Lasern vorgekühlten Atome in einer magnetischen Falle fest. Nur die wärmsten Atome konnten der Falle entweichen, ähnlich wie der Dampf über einer Kaffeetasse. Zurück blieben die kältesten Atome, deren Temperatur sich durch Zusammenstöße einander anglich.

Bei einer Temperatur von 240 milliardstel Grad über dem aboluten Kältepunkt vereinten sich die Lithium-7-Atome zu einer Materiewelle. Die Lithium-6-Atome hingegen ließen sich nicht weiter verdichten. Sie widersetzten sich weiterem Druck. Dieser Widerstand der Fermionen ist in der Astrophysik von großer Bedeutung. Er kann selbst ein riesiges Gasgemisch bremsen, das im Inneren eines Sterns unter der eigenen Schwerkraft in sich zusammenfällt. Auf diese Weise gelangen zum Beispiel Weiße Zwerge oder Neutronensterne in einen stabilen Zustand, wie Forscher annehmen.

Randall Hulet und sein Team wollen das Gasgemisch künftig noch weiter abkühlen. Dann könnten sich die Lithium-6-Atome möglicherweise zu Paaren zusammenschließen. Auch Elektronen in Metallen bilden bei extrem tiefen Temperaturen solche Cooper-Paare. Das Metall leitet den elektrischen Strom in einem solchen Falle völlig verlustfrei (Supraleitung). Ein ähnliches Phänomen hoffen die amerikanischen Wissenschaftler beobachten zu können, wenn Lithium-6-Atome sich bei Temperaturen unterhalb von 50 milliardstel Grad über dem absoluten Kältepunkt zu paaren beginnen.