Schwingender Kristall im Kondensat

Dass der Kaffee in der Tasse nach dem Umrühren rotiert, hat man ja schon oft gesehen. Doch wenn der Kaffee zu schwingen anfinge und abwechselnd nach rechts und nach links rotieren würde - das wäre schon überraschend. Eigentlich traut man einer Flüssigkeit nicht zu, dass sie die dafür nötigen Scherkräfte aufbringt, meint Eric Cornell von der Universität von Boulder; insbesondere wenn es sich um eine reibungsfrei strömende Supraflüssigkeit handelt. Doch dieses unerwartete Verhalten haben Cornell und seine Mitarbeiter jetzt in einem supraflüssigen Bose-Einstein-Kondensat beobachten können.

Zunächst haben die Forscher mehrere Millionen Rubidiumatome in einer magnetischen Falle festgehalten und auf einige Nanokelvin abgekühlt. Bei solch niedriger Temperatur beginnen die Materiewellen der Atome zu überlappen. Die Atome stimmen daraufhin ihr quantenmechanisches Verhalten miteinander ab und bilden ein suprafluides Bose-Einstein-Kondensat, für dessen Herstellung Cornell vor zwei Jahren den Physiknobelpreis bekommen hatte. Wie mit einem Löffel in der Kaffeetasse, so haben die Forscher ihr Kondensat in der Magnetfalle mit einem Laserstrahl umgerührt und in Drehung versetzt. Die Atomwolke rotierte dabei sieben- bis achtmal in der Sekunde.

Gerührt und nicht geschüttelt: Das Wirbelgitter im Kondensat zeigt Torsionsschwingungen. (Quelle: JILA)

Das Verhalten der rotierenden Atomwolke wird durch eine komplexe Wellenfunktion beschrieben, deren Phase vom Ort abhängt. Umrundet man die Wolke einmal und kehrt zum Ausgangspunkt zurück, so muss die Wellenfunktion wieder denselben Wert annehmen. Ihre Phase darf sich also nur um ein Vielfaches von 2 p geändert haben. Dies hat zur Folge, dass der Drehimpuls des rotierenden Kondensats quantisiert wird: Er beträgt stets ein Vielfaches von h/2 p. Jedes dieser Wirbelquanten ist an einem winzigen Wirbel oder Vortex gebunden. Je schneller sich das Kondensat dreht, umso mehr Wirbel enthält es.

Da die Wirbel einander abstoßen, ordnen sie sich zu einem zweidimensionalen Bienenwabenmuster an, einem so genannten Abrikosov-Gitter. Im Zentrum eines Wirbels ist die Kondensatdichte deutlich geringer als anderswo im Kondensat. Deshalb kann man die Wirbel und auch das Wirbelgitter mit Hilfe eines Lasers als Schattenbild sichtbar machen. Während das Kondensat einige Male in der Sekunde rotiert, bleibt das Wirbelgitter zunächst in Ruhe. Da das Gitter aber elastisch ist und Scherkräfte in ihm auftreten können, sollte es auch Torsionsschwingungen ausführen können, wie schon 1966 der russische Physiker V. K. Tkachenko vorhergesagt hatte.

Doch wie regt man diese Torsionsschwingungen im suprafluiden Kondensat an? Die Forscher um Cornell haben eine elegante Methode gefunden. Mit einem Laserpuls schießen sie einige Atome aus dem Zentrum des Kondensats heraus. Dies hat zwei Konsequenzen, wie die Forscher erklären. Zum einen gehen dabei vor allem Atome mit kleinem Drehimpuls verloren. Der mittlere Drehimpuls der im Kondensat verbleibenden Atome nimmt deshalb zu und die Wolke dehnt sich aus. Zum anderen fließt ein Teil des Kondensats in das vom Laser geschossene Loch. Diese radialen Bewegungen werden im rotierenden Kondensat durch Coriolis-Kräfte abgelenkt. Daraufhin beginnt das Wirbelgitter zu schwingen.

Wie die Experimente zeigen, sind die Torsionsschwingungen des Wirbelgitters stark gedämpft und klingen schon nach wenigen Sekunden ab. Sie müssen also auf die Bewegungen der Atome im Kondensat zurückwirken. Inzwischen haben mehrere Wissenschaftler eine passende Theorie entwickelt, die detaillierte Vorhersagen macht. Bei den Experimenten am JILA stellte sich heraus, dass die Theorie die Form der Schwingungen gut erklärt. Die gemessenen Schwingungsfrequenzen sind allerdings wesentlich kleiner als die von der Theorie vorhergesagten. Theorie und Experiment weichen umso stärker voneinander ab, je schneller das Kondensat rotiert. Jetzt müssen die Theoretiker wohl erstmal einen Kaffee trinken. Umrühren nicht vergessen!

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalarbeit:
  I. Coddington et al., Observation of Tkachenko Oscillations in Rapidly Rotating Bose-Einstein Condensates, Phys. Rev. Lett. 91, 100402 (2003).
  http://link.aps.org/abstract/PRL/v91/e100402
  http://arxiv.org/abs/cond-mat/0305008  
• Kontakt:
  Ian Coddington, E-Mail: coddingi@jilau1.colorado.edu  
• Cornell-Gruppe am JILA:
  http://jilawww.colorado.edu/bec/CornellGroup/index.html  
• BEC-Seiten vom JILA:
  http://jilawww.colorado.edu/bec/index.html  
• Nobelpreis 2001:
  http://www.nobel.se/physics/laureates/2001/index.html

Weitere Literatur:

• P. Engels et al., Observation of Long-Lived Vortex Aggregates in Rapidly Rotating Bose-Einstein Condensates. Phys. Rev. Lett. 90, 170405 (2003).
  http://link.aps.org/abstract/PRL/v90/e170405
  http://www.arxiv.org/abs/cond-mat/0301532  
• Gordon Baym, Tkachenko modes of vortex lattices in rapidly rotating Bose-Einstein condensates. (preprint).
  http://xxx.arxiv.org/abs/cond-mat/0305294  
• J. R. Anglin und M. Crescimanno, Inhomogeneous vortex matter. (preprint).
  http://xxx.arxiv.org/abs/cond-mat/0210063