Uni-Colleg - Sommersemester 2009

Jeweils mittwochs, 19.30 Uhr, Campus Duisburg, Raum MD 162

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13. Mai: Prof. em. Dr. Dr. h.c. Robert Graham

Bose-Einstein-Kondensation

Dieser Vortrag aus dem Bereich der Theoretischen Physik wird eine Einführung und einen kurzen Überblick geben über die Physik der Bose-Einstein Kondensation und der damit eng verbundenen und in ersten Realisierungen vorliegenden Atomlaser, die anstelle von Licht kohärente Materiewellen aussenden können.

Das Phänomen der Bose-Einstein Kondensation ist die im Jahr 1923 gemachte letzte große theoretische Entdeckung von Albert Einstein. Sie brachte eine ganz ungewöhnliche quantenmechanische Eigenart von Materie ans Licht, die aus lauter identischen Teilchen besteht, wie z.B. ein Gas aus lauter gleichen Atomen. Da es nicht nur praktisch, sondern sogar prinzipiell, keine Möglichkeit gibt zwei Atome in solcher Materie zu unterscheiden, schreibt die Quantenmechanik (nach der verschieden nur dasjenige ist, was wenigstens im Prinzip auch als verschieden messbar ist) zwingend vor, das die Vertauschung zweier Atome in solcher Materie nicht als neuer Zustand angesehen werden darf, sondern als genau der gleiche Zustand betrachtet werden muss wie vorher. Einstein analysierte die Konsequenzen dieser kurz zuvor von Satyendranath Bose entdeckten quantenmechanischen Regel und fand, dass sie für einen bestimmten Typ von Teilchen, den so genannten Bosonen, erzwingt, dass bei tiefen Temperaturen sich ein von Null verschiedener und sogar großer Teil der Teilchen in ein und demselben Zustand größtmöglicher Ruhe ansammeln, dem Bose-Einstein Kondensat. Da darüberhinaus auch noch Teilchen und Wellen in der Quantenmechanik ein und dasselbe sind (jedem Teilchen entspricht eine mikroskopisch kleine Materiewelle und umgekehrt), bilden nun alle diese Teilchen im Bose-Einstein Kondensat eine gemeinsame gigantische Materiewelle. Die Materiewellen der betreffenden Atome sind dort miteinander im Takt (kohärent).

Etwas Ähnliches passiert auch in einem Laser, nur dass dort die in Rede stehenden Teilchen keine Atome sind, sondern die Lichtteilchen, oder Photonen, die den kleinen Lichtwellen, welche von den Atomen im Laser emittiert werden, wieder nach den gleichen Regeln der Quantenmechanik entsprechen. Im Laser bilden also die Photonen eine Art Bose-Einstein Kondensat, und die gemeinsame kohärente Welle ist dort keine Materiewelle, sondern die Lichtwelle, die der Laser emittiert. Während Lichtwellen uns vertraut sind und Laser schon seit 1960 existieren, wurden Bose-Einstein Kondensate erst Mitte der Neunziger Jahre im Labor realisiert. Die Entwicklung und Untersuchung von so genannten Atomlasern, die Materiewellen emittieren, sind seither ein aktuelles Forschungsgebiet.