Ein Tröpfchen über einer Flüssigkeit

„Das Gas will immer kleiner werden“

Nur wenige milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt bilden Atome ein sogenanntes Quantengas – die Teilchen gehorchen ausschließlich den Regeln der Quantenphysik. Wissenschaftlern ist es nun gelungen, in einem solchen Quantengas stabile Tröpfchen aus rund dreitausend Atomen herzustellen. Die Quantentröpfchen dürften neue Einblicke in die Natur und das Verhalten ultrakalter Atome eröffnen, schreibt das Forscherteam im Fachmagazin „Nature“. Welt der Physik sprach mit dem beteiligten Physiker Matthias Schmitt von der Universität Stuttgart.

Welt der Physik: Was hält normale Tröpfchen bei Zimmertemperatur, etwa aus Wasser, zusammen?

Matthias Schmitt: Bei normalen Tröpfchen spielt eine Vielzahl von Wechselwirkungen eine Rolle. Im Fall von Wasser hält die Oberflächenspannung das Tröpfchen zusammen, und auch die Wasserstoffbrückenbindung spielt eine Rolle. Das Tröpfchen selbst ist inkompressibel: Während ein Gas komprimierbar ist, ist das bei einem Wassertröpfchen nicht der Fall.

Was haben Sie in Ihrem Experiment untersucht?

Wir untersuchen sogenannte stark wechselwirkende dipolare Gase. Normalerweise hat man bei ultrakalten Quantengasen, deren Temperaturen nur wenige milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen, nur Kontaktwechselwirkungen: Die Teilchen kollidieren miteinander. Diese Stoßeigenschaften sind symmetrisch, weil man dabei normalerweise von einem runden Teilchen ausgeht. In unserem Experiment haben wir Dysprosiumatome eingesetzt, die aus 66 Protonen und 98 Neutronen im Kern bestehen. Es ist also ein sehr großes Atom. Es gibt 66 Elektronen in diesem Element, die alle in Orbitalen verteilt sind. Bei Helium beispielsweise sind alle Elektronen so gleichmäßig verteilt, dass seine Elektronenhülle quasi abgeschlossen ist. Das ist beim Dysprosium nicht der Fall, die Elektronen sind unregelmäßig in den Orbitalen verteilt und das führt zu einem starken magnetischen Dipolmoment. Im Endeffekt sind die Atome also wie kleine Magnete, und deshalb spielt eben nicht nur die Wechselwirkung durch Zusammenstöße eine Rolle, sondern auch die Wechselwirkungen, die durch diesen dipolaren Charakter zustande kommen.

Foto des Wissenschaftlers im Labor.
Matthias Schmitt von der Universität Stuttgart

Wie kann man daraus Quantentröpfchen herstellen?

Man braucht ein Gleichgewicht aus anziehenden und abstoßenden Wechselwirkungen. In unserem Fall wirkt die normale Kontaktwechselwirkung, also das Zusammenstoßen der Atome, abstoßend. Kleine Magneten, wie sie die Dysprosiumatome im Grunde genommen sind, können sich entweder anziehen oder abstoßen. Durch die Anordnung der Atome im Quantengas haben wir eine attraktive Wechselwirkung. Allerdings sollte laut früheren Theorien die Dipolwechselwirkung überwiegen – es sollte die Quantentröpfchen also eigentlich gar nicht geben dürfen.

Wie läuft das Experiment ab?

Wir starten das Experiment mit einem Bose-Einstein-Kondensat, also einem Gas aus ultrakalten Atomen, in dem sich alle Atome zunächst in einem energetischen Grundzustand befinden. In einem solchen Kondensat gibt es Quantenfluktuationen, die dazu führen, dass die Atome aus dem Grundzustand in andere, höhere energetische Zustände angehoben werden. Dem liegt das Heisenbergsche Unschärfeprinzip zugrunde. Aufgrund der Anziehung der Dipole wird das Atomgas bei uns relativ dicht. Im Endeffekt will dieses Gas immer kleiner werden, es will sich komprimieren, und irgendwann werden diese Dichten so hoch und die Abstände klein genug, dass die Abstoßung durch die Quantenfluktuationen so stark wird, dass die Anziehung kompensiert wird. Die Quantenfluktuation stabilisieren also die Tröpfchen: Unsere Wolke, oder unsere Flüssigkeit, kann nicht mehr weiter komprimiert werden, sondern bleibt bei einer endlichen Dichte stehen. Diese Quantenfluktuationen wurden bereits von anderen Forschungsgruppen gemessen, wir sind allerdings die erste Gruppe bei der sie tatsächlich zu einer Stabilität führen.

Wie haben Sie die Tröpfchen konkret erzeugt?

Das ultrakalte Gas befindet sich zunächst in einer Falle. Allerdings ist das Gas aufgrund der dipolaren Wechselwirkungen nicht in allen Fallengeometrien stabil. Um den Übergang vom Gas zur Flüssigkeit zu untersuchen, benötigen wir eine nahezu runde Falle, in der entlang einer bestimmten Richtung ein Magnetfeld erzeugt wird. Die Tröpfchen entstehen, indem sich – trotz des Einschlusses durch die Falle – die Atome länglich an dem Magnetfeld ausrichten. Sobald sich die Tröpfchen gebildet haben, braucht man auch die Falle nicht mehr, sie verbleiben von selbst in ihrem gebundenen Zustand.

Wie sehen diese Tröpfchen aus?

Sie sind stark in die Länge gezogen, etwa dreihundert Nanometer breit und vier bis fünf Mikrometer lang. Ein Tröpfchen besteht aus rund dreitausend Atomen, und diese Anzahl bestimmt, wie lange diese Tröpfchen stabil sind.

Warum sind solche Quantentröpfchen für die Wissenschaft interessant?

In der Physik ultrakalter Atome haben wir immer das Problem, dass wir Atome in einer Falle einschließen müssen. Das beeinflusst immer ihre Eigenschaften. Indem wir einen gebundenen Zustand hergestellt haben, brauchen wir keine Falle mehr, sondern müssen diese Tröpfchen nur schweben lassen und können sie dann beobachten. Das ermöglicht ganz neue Richtungen in der Physik. Wir wollen zum Beispiel herausfinden, ob diese Quantenflüssigkeit genau wie Wasser auch inkompressibel ist, ob man sie sich wirklich wie eine Art Wassertropfen vorstellen kann. Uns interessiert auch, inwiefern man dieses Quantentröpfchen beeinflussen kann. Wir haben jetzt verstanden, wie man solche Tröpfchen herstellen kann, und wollen als Nächstes ihre Eigenschaften genauer untersuchen.