Wirbelsturm im Fermi-Gas

Das, vermeldet die Wissenschaftszeitschrift NATURE heute, ist so am MIT unter der Anleitung von Wolfgang Ketterle geschehen.

Alle Atome sind entweder Bosonen oder Fermionen, ihr Spin, eine Art magnetisches Moment, ist entweder ganzzahlig oder halbzahlig. Der Unterschied ist wichtig, so können Bosonen zu einem Bose-Einstein-Kondensat zusammentreten, in dem sie ihre Individualiutät aufgeben und eine Einheit bilden, was Fermionen versagt bleibt. Wenn die sich aber zu Paaren zusammenschließen, haben auch die einen ganzzahligen Spin und gehen als Bosonen durch – Gegebenheiten wie diese entscheiden über wichtige Phänomene wie Supraleitung und Suprafluidität. Während bei der Supraleitung ein elektrischer Strom verlustlos fließt, ist es bei der Suprafluidität Bewegung, die reibungsfrei abläuft – eine suprafluide Tasse Kaffe würde, einmal gerührt, auf ewig weiter kreiseln.

Suprafluidität war bislang nur für Helium bekannt; jetzt haben Forscher um den Nobelpreisträger Wolfgang Ketterle am MIT in Boston, Massachusetts, den Effekt an einem Lithium-6-Fermionen-Gas gefunden, abgekühlt auf ein 50-Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Dennoch, sagt Wolfgang Ketterle, verdiene das Phänomen den Namen "Hochtemperatur-Suprafluidität":

"Bei dem Phänomen ... kommt es auch auf die Dichte an, und die physikalisch wichtige Temperatur ist die Suprafluiditätstemperatur normiert auf die Dichte, dividiert durch etwas, was von der Dichte abhängt. Und wir arbeiten mit verdünnten Gasen."

Verdünnt wie die Materie im vermeintlichen Vakuum des Weltalls, zwischen den Sternen. Schlagendster und bislang nie gesehener Beweis für Suprafluidität: Ein regelmäßiges Muster von Wirbeln in dem vom Lithium-Gas erfüllten Raum:

"Wie bildet man das ab? Im Wesentlichen ganz einfach: Wenn sich solche Wirbel bilden, das ist wie so ein Wirbel, der sich auch in einem Tornado oder in der Toilette bildet, der Wirbel bedeutet, dass ein kleines Loch im Gas drin ist, und im Wesentlichen mit, vereinfacht gesagt, einer guten Optik, einer Art mikroskopischen Aufnahme, sehen wir, dass das Gas - das ist dramatisch! Können Sie sie sich vorstellen, Sie haben eine Gaswolke, die rotiert, und in dem Moment, wo sie rotiert, haben Sie kleine Löcher drin!"

Die MIT-Forscher haben die Gasrotation unter anderem mit einer Art Kreisel-Peitsche aus Laserlicht in Gang setzen können.

Es wäre schön, sagt Ketterle, wenn die Entdeckung auch den bislang unzureichend geklärten Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung befördern könnte. Das anzunehmen, gäbe es gute Gründe:

"Mit diesen Gasen hat man Möglichkeiten mit Magnetfeldern, mit Laserstrahlen, mit Stehwellen – man kann mit allem Möglichen hier noch das Gas verändern. Und wir hoffen, dass wir uns jetzt schrittweise auch an andere Möglichkeiten herantasten, die dann vielleicht sogar direkt das testen, was man über die Hochtemperatur-Supraleitung herausfinden möchte."

Das kalte Lithium-Gas könnte womöglich auch als Modell für ganz andere, womöglich sogar kosmologische Phänomene herhalten:

"Die Suprafluidität von den Fermionen tritt nur deshalb bei einer so hohen Temperatur auf, also Temperatur jetzt wieder im normalisierten Sinne, weil die Fermionen stark gekoppelt sind. Und stark gekoppelte Fermi-Systeme hat man bisher nur wenig studiert. Und da gibt es Analogien mit dem Quark-Gluon-Plasma, mit dieser Suppe von Teilchen, die während des Big Bangs existiert hat, und man kann vom Studium von ultrakalten Gasen etwas über sehr heiße Materie lernen. Ich meine, darum geht's in der Physik: Wir lernen etwas über ultrakalte Gase und hoffen, dass wir es auf Metalle, auf Supraleiter übertragen kann, wir hoffen aber auch, dass man es auf andere Fermionensysteme wie sie vielleicht im Moment des Big Bang existierten, übertragen können."

Was immer die Entdeckung noch bringen mag: Ketterle und Mitarbeiter können die Kreation einer neuen Form von Materie feiern.