BEC bei Raumtemperatur

Einem Physikerteam aus Russland, Deutschland und den USA ist es erstmalig gelungen, ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) bei Raumtemperatur zu erzeugen. Allerdings bestand das Kondensat nicht aus Elektronen oder Atomen, sondern aus so genannten Magnonen, den Quanten magnetischer Anregungsenergie in einem geordneten Ensemble magnetischer Momente. Die Forscher berichten im Fachblatt „Nature“ über die charakteristischen Anzeichen eines Bose-Einstein-Kondensats im magnetischen Anregungsspektrum eines Films aus Yttrium-Eisen-Granat.

Die Bose-Einstein-Kondensation zählt zu den faszinierendsten Phänomenen der Quantenwelt: Ein Ensemble aus Bosonen - also Teilchen mit ganzzahligem Spin - bildet einen kollektiven Quantenzustand, sobald die Teilchendichte einen kritischen Wert überschreitet. Ein Bose-Einstein-Kondensat lässt sich entweder durch eine Absenkung der Temperatur auf Werte nahe dem absoluten Nullpunkt oder durch eine Erhöhung der Bosonendichte erzeugen. Lange waren Supraflüssigkeiten und Supraleiter die einzigen physikalischen Systeme, in denen sich die Bose-Einstein-Kondensation beobachten ließ. Doch seit 1995 können die Physiker auch Bose-Einstein-Kondensate aus extrem kalten Gasatomen herstellen (Abb.).

Abb.: Bildung eines atomaren Bose-Einstein-Kondensats: Die wärmeren Atome verdampfen aus dem in einer magnetischen Falle konzentrierten Gas und kühlen es dadurch weiter ab, bis die verbleibenden Atome eine kritische Temperatur unterschreiten und einen kollektiven Quantenzustand bilden. (Quelle: MPG)

Schon Ende der 1960er Jahre wurde jedoch vorhergesagt, dass auch bei relativ hohen Temperaturen die Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats möglich sein sollte, wenn dem Bosonen-Ensemble nur genügen Energie zugeführt wird. In den vergangenen zehn Jahren sind zahlreiche Versuche unternommen worden, diesen Effekt tatsächlich nachzuweisen, zum Beispiel an Exzitonen in Halbleitern, bislang jedoch ohne Erfolg.

Sergej Demokritov, derzeit an der Universität Münster tätig, und seine Kollegen beschritten nun einen anderen Weg: Sie untersuchten die Anregung von Magnonen in einem Yttrium-Eisen-Granat-Film (YIG, Yttrium-iron-garnet). „Magnonen ähneln den Bosonen in einem Quantengas aus Atomen“, begründen die Forscher ihre Wahl, „viele Magnonen können den gleichen Quantenzustand einnehmen.“ Zudem ähnelt der Hauptprozess der Magnon-Thermalisierung, die Vier-Magnon-Streuung, dem Teilchen-Teilchen-Streuprozess in einem atomaren Gas. YIG wiederum erwies sich als optimales Material zur Untersuchung von Magnonen, da frühere Experimente gezeigt hatten, dass sich in YIG-Filmen mithilfe von Mikrowellen weitere Magnonen anregen lassen.

Im thermischen Gleichgewicht folgen die Magnonen im YIG der üblichen Bose-Einstein-Statistik für Teilchen mit verschwindendem chemischen Potenzial und temperaturabhängiger Dichte. Demokritov und seine Kollegen „pumpten“ in ihren Experimenten durch die Einstrahlung von Mikrowellen zusätzliche Energie in den YIG-Film. Dadurch wurden weitere Magnonen angeregt und in dem YIG bildete sich eine Art Gas aus Magnonen im Quasi-Gleichgewicht, die nun ein kleines chemisches Potenzial besitzen.

Mit Erhöhung der Pump-Intensität steigt auch dieses chemische Potenzial der Magnonen, bis es die Energie des niedrigsten Magnonen-Zustands erreicht: Bei Überschreitung dieser Grenze bilden die Magnonen offenbar wie von der Theorie vorhergesagt ein Bose-Einstein-Kondensat.

Die Messungen zeigen, dass nach Beendigung der Mikrowellen-Pumpung ein Teil der Magnonen innerhalb von 100 bis 200 Nanosekunden verschwindet, während die Dichte von Magnonen mit einer bestimmten - zu der Anregung korrespondierenden - Energie nur langsam abnimmt. Demokritov und seine Kollegen sehen darin den Beweis dafür, dass diese Magnonen ein kollektives System in einem stabilen Eigenzustand bilden, eben ein Bose-Einstein-Kondensat.

Rainer Kayser

Weitere Infos:

• Originalarbeiten:
  S. O. Demokritov et al., Bose-Einstein condensation of quasi-equilibrium magnons at room temperature under pumping, Nature 443, 430 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05117
• Universität Münster:
  http://www.uni-muenster.de/
• Bose-Einstein-Kondensate (Informationen der Uni Bonn):
  http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/bec/index.html