Boson oder Fermion?

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Französische und niederländische Physiker haben den Unterschied zwischen Fermionen und Bosonen erstmals in einem einzigen Experiment belegen können.

Amsterdam (NL)/Palaiseau (F) – Vor 50 Jahren beobachteten die Physiker Robert Hanbury Brown und Richard Twiss, wie Photonen von einem fernen Stern sich gerne zusammenlagern und bündelweise korreliert auf ihre Reise gehen. Dieser nach seinen Entdeckern benannte HBT-Effekt zeigte erstmals das Paarungsverhalten von Bosonen mit ganzzahligem Spin. Genau das entgegengesetzte Verhalten nach dem Pauli-Prinzip haben Fermionen mit halbzahligen Spin. Französische und niederländische Physiker belegten nun diesen grundlegenden, quantenphysikalischen Unterschied zwischen Fermionen und Bosonen erstmals in einem einzigen Experiment mit zwei Helium-Isotopen. Über ihre Ergebnisse berichten sie in der Zeitschrift „Nature“.

Abgekühlt auf wenige Mikrokelvin über den absoluten Nullpunkt hielten Christoph Westbrook von der Université Paris-Sud und seine Kollegen von der Freien Universität Amsterdam sowohl Helium-3 (Fermionen) als auch Helium-4 (Bosonen) in einem Magnetfeld gefangen (Ioffe-Pritchard-Falle). Chemisch identisch befanden sich beide Gase in einem thermischen Gleichgewicht. Durch das Abschalten des Magnetfelds konnten die Wissenschaftler die Helium-Atome gezielt fallen lassen.

Abb.: Blick auf den ausgebauten Helium-Detektor. Die obere Fläche ist eine Mikrochannel-Platte, darunter befindet sich die Delay-Line-Aanode, mit der die Position der Helium-Atome gemessen werden kann. (Quelle: Denis Boiron)

In diesem Fallexperiment offenbarten sich die grundlegenden Unterschiede von Fermionen und Bosonen. Die Helium-4-Atome lagerten sich wie erwartet bevorzugt gebündelt zu Paaren zusammen und trafen eng korreliert auf einer Nachweisfläche auf, mit der sowohl der Zeitpunkt als auch Position des Aufpralls bestimmt werden konnte. Völlig unkorreliert stießen dagegen die Helium-3-Atome auf diesen Detektor. Möglich wurden diese Messungen durch den Einsatz eines Lasers, der wie eine defokussierende Linse auf die fallenden Atome wirkte. Dadurch konnten die Signale der gebündelten Bosonen und der einsamen Fermionen gut voneinander getrennt werden.

„Die Analyse von Zwei-Teilchen-Korrelationen ist eine zunehmend wichtige Methode für das Verstehen von komplexen Quantenphasen ultrakalter Atome“, schreiben Westbrook und seine Kollegen. 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 sich auch von größeren Objekten maßgebliche Quanteneffekte untersucht lassen.

„Zum ersten Mal kann der HBT-Effekt für bosonische und fermionische Teilchen im gleichen Experiment verglichen werden“, beurteilt Maciej Lewenstein vom Institut de Ciencies Foteniques in Barcelona in einem begleitenden Kommentar dieses Ergebnis. Weitere Einblicke in das Korrelations-Verhalten einzelner Quanten hält er damit für möglich.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  T. Jeltes et al., Comparison of the Hanbury Brown-Twiss effect for bosons and fermions, Nature 445, 402 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05513
• Kommentar:
  Maciej Lewenstein, The social life of atoms, Nature 445, 372 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/445372a
• Institut d'Optique, CNRS, Palaiseau:
  http://www.institutoptique.fr
• Vrije Universiteit, Amsterdam:
  http://www.nat.vu.nl/index-en.html
• Laser Centre:
  http://www.nat.vu.nl/~laser/
• Experiment:
  http://www.nat.vu.nl/~wim/Cold_Atoms/HBT.html

Weitere Literatur:

• A.S. Tychkov, T. Jeltes, J.M. McNamara, P.J.J. Tol, N. Herschbach, W. Hogervorst und W. Vassen, Metastable helium Bose-Einstein Condensate with a large number of atoms, Phys. Rev. A73, 031603(R) (2006).
• J.M. McNamara, T. Jeltes, A.S. Tychkov, W. Hogervorst und W. Vassen, Degenerate Bose-Fermi mixture of metastable atoms, Phys. Rev. Lett. 97, 080404 )2006).
• M. Schellekens et al., Hanbury Brown Twiss effect for ultracold quantum gases, Science 310, 648 (2005).