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Wissenschaftlicher Durchbruch: Wirbelnde Atome und die Supraleitung

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Von der NASA finanzierte Forschungen am MIT (Massachusetts Institute of Technology) ergaben eine neue Form suprafluider Materie.

Diese Forschungsergebnisse führen zu einer Verbesserung von superleitenden Materialien, die für einen effizienten Energietransport oder aber auch für medizinische Diagnosegeräte eingesetzt werden können.

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler damit ein Reibungsfreies superfluid kreiert und dabei ein Gas von fermionischen Atomen benutzt, Atomen mit einer ungraden Anzahl an Elektronen, Protonen und Neutronen. Der wissenschaftliche Durchbruch ereignete sich in der Nacht vom 13. April.

„Es ist eine Nacht, die ich niemals vergessen werde. Es war überwältigend auf unseren Computer zu sehen, wie sich Lithium Atome auf eine Art und Weise verhielten, die niemals jemand zuvor gesehen hat“ sagt Dr. Wolfgang Ketterle, Nobelpreisgewinner und Professor am MIT.

Um das Experiment durchführen zu können, kühlten die Wissenschaftler eine Gaswolke von Lithiumatomen auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C oder 0 K oder -459° F) und benutzten einen Infrarotlaser um das Gas anzustrahlen, während später ein grüner Laser die Atome zum Wirblen brachte.   

Ein normales Gas hat einen einfachen Spin, aber ein Superfluid kann nur durch die Bildung eines Quantenwhirlpools rotieren. Dabei sieht ein rotierendes Superfluid wie ein Schweizer Käse aus; die Löcher sind die Kerne eines Whirlpools und dies ist exakt das, was die Wissenschaftler in dieser Nacht beobachteten.

Bereits 1995 waren Ketterle und sein Team die Ersten, die ein Bose-Einstein Kondensat erstellten, zusammengesetzt aus bosonischen Atomen die eine gerade Anzahl an Elektronen, Protonen und Neutronen haben. Beim Bose-Einstein Kondensat verhalten sich die Teilchen wie eine große Welle, einem Phänomen, das bereits 1925 von Albert Einstein vorausgesagt wurde. Dafür bekam das Team um Ketterle 2001 den Nobelpreis.

Doch eine Herausforderung blieben die fermionischen Atome, da sie Atome aufnehmen müssen, um auf eine gerade Anzahl zu kommen und aus ihnen eine Bose-Einstein Kondensat zu erstellen. Dies gelang zwar bei mehreren Experimenten doch wurden dabei keine Beweise für eine Superfluidität gefunden.

Deshalb waren in den vergangenen zwei Jahren zahlreiche Forscher auf der Suche danach, doch trotz einiger Fortschritte wollte der Durchbruch nicht gelingen.

Supraleitung ist Superfluidität für elektrisch geladene Partikel an Stelle von Atomen, doch bis heute ist die Hochtemperatursupraleitung (wobei wir immer noch im Minusbereich liegen) nicht ganz verstanden. Doch die neuen Forschungsergebnisse vom MIT geben nun die Gelegenheit hinter die mikroskopischen Mechanismen zu schauen.

„Paarweise Elektronen in derselben Art wie fermionischen Atome würden als Resultat bei Raumtemperatur Supraleiter“ so Ketterle. „Es ist ein langer Weg zu gehen, aber Raumtemperatur Supraleiter würden in unserer Welt viele Anwendungen finden, insbesondere beim Energietransport“  

Anmerkungen:

Helium war bisher das einzige Element, bei dem die Superfluidität beobachtet wurde. Es geht in den suprafluiden Zustand über, wenn seine Temperatur den so genannten Lambdapunkt unterschreitet.

Suprafluidität lässt sich im Modell der Bose-Einstein Kondensation erklären, bei der ein makroskopischer Anteil aller Bosonen denselben Quantenzustand besetzen. Dadurch können sämtliche Teilchen, die in diesen Grundzustand kondensiert sind, durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben werden.

Quelle: JPL

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