Bose-Einstein-Kondensation - wichtiges physikalisches Phänomen

02.05.2003

Albert Einstein, bekannt als Vater der Relativitätstheorie, hat einige bahnbrechende Erkenntnisse für die moderne Physik geleistet. So hat er zusammen mit dem indischen Physiker Satyendra Nath Bose postuliert, dass bei tiefen Temperaturen markante Unterschiede in den Eigenschaften der Materie zu erwarten sind, wenn deren Bausteine, d.h. Atome oder Elektronen, ihre Individualität verlieren und sich zu einem einheitlichen, grösseren Komplex vereinen. Forscher der ETH Zürich, des Paul Scherrer Instituts und der Universität Bern haben kürzlich diesen Komplex, das so genannte Bose-Einstein-Kondensat, erstmals für ein magnetisches System, nämlich für die Verbindung Thallium-Kupfer-Trichlorid nachgewiesen. Die Resultate werden in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins "Nature" publiziert.

Viele der von uns verwendeten Materialien haben magnetische Eigenschaften. Der Magnetismus kommt dabei dadurch zustande, dass sich ein Teil der Elektronen des Materials quasi als Mini-Magnete geordnet ausrichtet und so im Material ein magnetisches Moment aufbaut. Aus der Forschung resultieren ständig neue magnetische Materialien mit verbesserten Eigenschaften für technische Anwendungen. Besonders intensiv ist heute die interdisziplinäre Forschung von Physikern und Chemikern auf dem Gebiet der molekularen Magnete. Dazu gehört Thallium-Kupfer-Trichlorid. In dieser Verbindung sind die magnetisch aktiven Kupferatome paarweise angeordnet und untereinander mit antiparalleler Ausrichtung der magnetischen Momente gekoppelt. Diese Kopplung führt dazu, dass diese Verbindung natürlich nicht magnetisch ist, aber beim Anlegen eines äusseren Magnetfeldes eine ungewöhnliche Art magnetischer Ordnung einsetzt. Diesen Befund kann man mit der konventionellen Magnetismustheorie nicht erklären, wohl aber mit einem theoretischen Ansatz basierend auf dem Phänomen der Bose-Einstein-Kondensation.

Bose-Einstein-Kondensat in magnetischer Verbindung nachgewiesen

Forschende am Laboratorium für Neutronenstreuung der ETH Zürich und des Paul Scherrer Instituts (PSI) und am Chemie-Departement der Universität Bern haben nun mittels Neutronenstreuexperimenten umfangreiche Untersuchungen der Verbindung Thallium-Kupfer-Trichlorid durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass beim Anlegen eines äusseren Magnetfelds der Charakter des energetisch tiefsten Anregungsastes ändert und eine lineare Beziehung zwischen Impuls und Energie aufweist. Diese war theoretisch für die Bose-Einstein-Kondensation vorhergesagt worden. Dieser erstmalige experimentelle Nachweis der Bose-Einstein-Kondensation in einer magnetischen Verbindung, der in der Ausgabe vom 1. Mai 2003 des Wissenschaftsmagazins "Nature" beschrieben wird, ist ein weiterer Meilenstein eines in den Anfängen nicht voll erkannten, aber äusserst wichtigen physikalischen Phänomens.

Die Bedeutung der Bose-Einstein-Kondensation wurde in Fachkreisen lange nicht erkannt und eher als theoretische Übung eingestuft. Erst mit der Entdeckung der Supraflüssigkeit in Helium-4 wurde die Fachwelt auf die Bose-Einstein-Kondensation aufmerksam, welche das viskositätsfreie Verhalten von flüssigem Helium-4 unterhalb einer Temperatur von 2,17 Kelvin erklärte. 1996 wurde der Physik-Nobelpreis an David M. Lee, Douglas D. Osheroff und Robert C. Richardson für die Entdeckung der Supraflüssigkeit in Helium-3 vergeben. Die Bose-Einstein-Kondensation ist auch die Basis für das Verständnis der Supraleitung, die in der Theorie von John Bardeen, Leon N. Cooper und Robert Schrieffer (Physik-Nobelpreis 1972) auf der durch Gitterschwingungen induzierten Paarung von Elektronen beruht. Erst in den letzten Jahren haben Steven Chu, Claude Cohen und William D. Phillips (Physik-Nobelpreis 1997) Methoden entwickelt, einzelne Atome auf tiefste Temperaturen abzukühlen, mittels Laserlicht einzufangen und damit - in Koexistenz mit gewöhnlichen Atomen - eine Art Superatome herzustellen, deren aussergewöhnliche Eigenschaften auf Grund intensiver Untersuchungen von Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl E. Wieman (Physik-Nobelpreis 2001) ebenfalls auf der Bose-Einstein-Kondensation beruhen.

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