In Paaren oder ganz alleine – Helium-Isotope offenbaren das "Sozialleben" von Quanten

Die Quantenwelt teilt sich in zwei Familien von Teilchen auf: Bosonen und Fermionen.

Amsterdam (Niederlande)/Palaiseau (Frankreich) - Sie unterscheiden sich in einer grundlegenden Quanteneigenschaft: Bosonen haben einen ganzzahligen, Fermionen einen halbzahligen Spin. Das hat gravierende Folgen: Bosonen paaren sich gerne, Fermionen dagegen gehen sich lieber aus dem Weg. Diese Eigenschaft konnten nun niederländische und französische Physiker erstmals in ein und demselben Experiment nachweisen, über das sie in der Zeitschrift "Nature" berichten.

"Die Analyse von Zwei-Teilchen-Korrelationen ist eine zunehmend wichtige Methode für das Verstehen von komplexen Quantenphasen ultrakalter Atome", schreiben Christoph Westbrook von der Université Paris-Sud und seine Kollegen von der Freien Universität Amsterdam. Um dieses quantenphysikalische Paarungsverhalten gut vergleichen zu können, griffen die Wissenschaftler zu eiskalten Atomwolken aus dem Edelgas Helium. Dieses bietet zwei verschiedene Isotope, Helium-3 und Helium-4, die sich chemisch zwar gleichen, quantenphysikalisch jedoch unterschiedlicher nicht sein können.

Genau diese Unterschiede offenbarten sich in einem Fallexperiment. Aus der kalten Atomwolke fielen Helium-3, die Fermionen, und Helium-4, die Bosonen, auf ein extrem empfindliches Nachweisgerät. Deutlich zeigte sich, dass die Bosonen bevorzugt paarweise und die Fermionen ganz alleine ihren Weg antraten.

Dieses Experiment belegt, wie fundamentale Quanteneigenschaften von Fermionen und Bosonen ohne störende äußere Einflüsse gleichzeitig untersucht werden können. Es zeigt einen viel versprechenden Weg auf, wie maßgebliche Quanteneffekte auch bei größeren Objekten untersucht und beispielsweise für zukünftige Quantendatenspeicher oder gar Quantencomputer genutzt werden könnten.