Bose-Einstein-Kondensat (BEC), ein Zustand der Materie, in dem getrennte Atome oder subatomare Teilchen, die auf nahezu absoluten Nullpunkt (0 K, − 273,15 °C oder − 459,67 °F; K = Kelvin) abgekühlt sind, zu einer einzigen quantenmechanischen Einheit verschmelzen—das heißt, eine, die durch eine Wellenfunktion beschrieben werden kann—auf einer nahezu makroskopischen Skala. Diese Form der Materie wurde 1924 von Albert Einstein auf der Grundlage der Quantenformulierungen des indischen Physikers Satyendra Nath Bose vorhergesagt.,
Obwohl es jahrzehntelang vorhergesagt worden war, wurde die erste atomare Entdeckung erst 1995 gemacht, als Eric Cornell und Carl Wieman von JILA, einer Forschungseinrichtung, die gemeinsam vom National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado in Boulder betrieben wurde, ein Gas von Rubidiumatomen auf 1,7 × 10-7 K über dem absoluten Nullpunkt kühlten. Zusammen mit Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), der ein BEC mit Natriumatomen schuf, erhielten diese Forscher 2001 den Nobelpreis für Physik., Die Forschung an BECs hat das Verständnis der Quantenphysik erweitert und zur Entdeckung neuer physikalischer Effekte geführt.
Die BEC-Theorie geht auf das Jahr 1924 zurück, als Bose überlegte, wie sich Gruppen von Photonen verhalten. Photonen gehören zu einer der beiden großen Klassen von elementaren oder submikroskopischen Teilchen, die dadurch definiert sind, ob ihr Quantenspin eine nichtnegative Ganzzahl (0, 1, 2,…) oder eine ungerade halbe Ganzzahl (1/2, 3/2,…) ist. Der frühere Typ, Bosonen genannt, umfasst Photonen, deren Spin 1 ist. Der letztere Typ, Fermionen genannt, umfasst Elektronen, deren Spin 1/2 ist.,
Wie Bose bemerkte, verhalten sich die beiden Klassen unterschiedlich (siehe Bose-Einstein-und Fermi-Dirac-Statistiken). Nach dem Pauli-Ausschlussprinzip neigen Fermionen dazu, sich gegenseitig zu meiden, weshalb jedes Elektron in einer Gruppe einen separaten Quantenzustand einnimmt (angezeigt durch verschiedene Quantenzahlen, wie die Energie des Elektrons). Im Gegensatz dazu kann eine unbegrenzte Anzahl von Bosonen den gleichen Energiezustand haben und einen einzigen Quantenzustand teilen.
Einstein erweiterte bald Boses Arbeit, um zu zeigen, dass „bosonische Atome“ mit geraden Spins bei extrem niedrigen Temperaturen zu einem gemeinsamen Quantenzustand mit der niedrigsten verfügbaren Energie verschmelzen würden. Die erforderlichen Verfahren zur Erzeugung von Temperaturen, die niedrig genug waren, um Einsteins Vorhersage zu testen, wurden jedoch erst in den 1990er Jahren erreicht. Einer der Durchbrüche hing von der neuartigen Technik der Laserkühlung und-falle ab, bei der der Strahlungsdruck eines Laserstrahls kühlt und Atome lokalisiert, indem er sie verlangsamt., (Für diese Arbeit teilten sich der französische Physiker Claude Cohen-Tannoudji und die amerikanischen Physiker Steven Chu und William D. Phillips 1997 den Nobelpreis für Physik.) Der zweite Durchbruch hing von Verbesserungen der magnetischen Eingrenzung ab, um die Atome ohne Materialbehälter an Ort und Stelle zu halten. Mit diesen Techniken gelang es Cornell und Wieman, etwa 2.000 einzelne Atome zu einem „Superatom“ zusammenzuführen, einem Kondensat, das groß genug ist, um es mit einem Mikroskop zu beobachten, das unterschiedliche Quanteneigenschaften aufweist. Wie Wieman die Leistung beschrieb: „Wir haben sie auf ein fast menschliches Maß gebracht., Wir können es stecken und prod es und Blick auf dieses Zeug in einer Weise, die niemand zuvor in der Lage gewesen.“
BECs stehen im Zusammenhang mit zwei bemerkenswerten Niedertemperaturphänomenen: Superfluidität, bei der jedes der Heliumisotope 3He und 4He eine Flüssigkeit bildet, die ohne Reibung fließt; und Supraleitung, bei der sich Elektronen durch ein Material ohne elektrischen Widerstand bewegen. 4Die Atome sind Bosonen, und obwohl 3He Atome und Elektronen Fermionen sind, können sie auch einer Bose-Kondensation unterzogen werden, wenn sie sich mit entgegengesetzten Spins paaren, um bosonartige Zustände mit Null Nettospin zu bilden., Im Jahr 2003 verwendeten Deborah Jin und ihre Kollegen bei JILA gepaarte Fermionen, um das erste atomare fermionische Kondensat zu erzeugen.
Die BEC-Forschung hat neue atom-und optische Physik hervorgebracht, wie der Atom-Laser Ketterle, der 1996 demonstriert wurde. Ein herkömmlicher Lichtlaser emittiert einen Strahl kohärenter Photonen; sie sind alle genau in Phase und können auf einen extrem kleinen, hellen Fleck fokussiert werden. In ähnlicher Weise erzeugt ein Atomlaser einen kohärenten Strahl von Atomen, der mit hoher Intensität fokussiert werden kann., Mögliche Anwendungen umfassen genauere Atomuhren und verbesserte Techniken zur Herstellung elektronischer Chips oder integrierter Schaltungen.
Die faszinierendste Eigenschaft von BECs ist, dass sie Licht verlangsamen können. 1998 verlangsamten Lene Hau von der Harvard University und ihre Kollegen das Licht, das durch ein BEC wanderte, von einer Geschwindigkeit im Vakuum von 3 × 108 Metern pro Sekunde auf nur 17 Meter pro Sekunde oder etwa 38 Meilen pro Stunde. Seitdem haben Hau und andere einen Lichtimpuls innerhalb eines BEC vollständig angehalten und gespeichert, wodurch das Licht später unverändert freigesetzt oder an ein zweites BEC gesendet wurde., Diese Manipulationen sind vielversprechend für neue Arten der lichtbasierten Telekommunikation, der optischen Speicherung von Daten und des Quantencomputers, obwohl die Niedrigtemperaturanforderungen von BECs praktische Schwierigkeiten bieten.