Atomare und molekulare Quantengase

Quantenverhalten bestimmt die physikalischen Eigenschaften von Materie bei extrem tiefen Temperaturen. So resultieren die verblüffenden Phänomene der Superfluidität und Supraleitung, dem reibungsfreien Transport von Teilchenströmen bzw. elektrischen Strömen, aus einer Kondensation in einen Vielteilchen-Quantenzustand. Phänomene dieser Art sind oft sehr komplex und nur wenig verstanden, haben aber ein sehr großes Anwendungspotenzial, wie die verlustfreie Leitung von elektrischen Strömen als Paradebeispiel zeigt. Ultrakalte Gase eröffnen bei Temperaturen von wenigen Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt einen einzigartigen Zugang in die Quantenwelt der Vielteilchensysteme. Solche Systeme werden durch Methoden der Laser- und Verdampfungskühlung in elektromagnetischen Fallen in einer Vakuumkammer präpariert und lassen sich durch Laserlicht gezielt kontrollieren und mit hoher Präzision untersuchen. So können im Labor nahezu perfekte Modellsysteme realisiert werden, um die Physik von komplexen Quantensystemen besser zu verstehen. Eine kleine Wolke von einigen Hunderttausend fermionischen Lithium-Atomen kann zum Beispiel das Verhalten eines Neutronensterns oder von Materie im frühen Stadium des Universums simulieren. Die Methoden zur Abkühlung von Gasen aus Atomen wurden in den letzten 20 Jahren intensiv entwickelt. Seit 10 Jahren verfügt man über sogenannte Bose-Einstein-Kondensate, worin sich alle Teilchen im gleichen Quantenzustand befinden. Gerade in den letzten beiden Jahren hat sich dieses Arbeitsgebiet dramatisch weiter entwickelt, denn Atome in ultrakalten Gasen können nun zu Molekülen, schwach gebundenen Paaren oder sogar größeren Quantenobjekten zusammengefügt werden. Dies hat das Tor zu ganz neuen Anwendungen weit aufgestoßen. Eine Chemie am absoluten Nullpunkt verspricht nun die Synthese von komplexeren Objekten in wohldefinierten Quantenzuständen, deren innere und äußere Freiheitsgrade perfekt kontrolliert werden können. Von besonderem Interesse sind fermionische Atome, die als Teilchen mit halbzahligen Spin elementaren Materiebausteinen wie Elektronen, Protonen und Neutronen entsprechen. Gemäß Paulis Ausschließungsverbot können sich solche Teilchen nicht in einem Quantenzustand ansammeln. Sie können sich aber zu Paaren zusammenschließen, die sich dann wie Bosonen, d.h. Teilchen mit ganzzahligem Spin, verhalten und so dennoch einen makroskopischen Quantenzustand bevölkern. Dieser Paarbildungsmechanismus ist verantwortlich für die Supraleitung. Von Experimenten mit ultrakalten Fermigasen erhofft man sich daher unter anderem auch neue Erkenntnisse über die Hochtemperatur-Supraleitung, der Eigenschaft bestimmter Materialien, bei relativ hohen Temperaturen schon verlustfreien Stromtransport zu ermöglichen. Der Wittgenstein-Preis wird mir ermöglichen, neuartige ultrakalte Modellsysteme experimentell zu realisieren, ihre elementaren Wechselwirkungen zu untersuchen und damit neue Erkenntnisse über das allgemeine Verhalten komplexer Quantensysteme zu gewinnen.