In einem kürzlich veröffentlichten Bericht berichtet das Will Lab-Team der Columbia University von der erfolgreichen Überschreitung der BEC-Schwelle und der Bildung eines Bose-Eienstein-Kondensats (BEC) aus NaCs-Molekülen bei einer ultrakalten Temperatur von 5 Nanokelvin (= 5 x 10-9 Kelvin). Das molekulare Quantenkondensat war stabil und hatte eine Lebensdauer von etwa 2 Sekunden. Damit endete die jahrzehntelange Suche nach molekularem BEC. Dies ist eine bemerkenswerte Leistung und ein Meilenstein in der Wissenschaft.
Es ist allgemein bekannt, dass Materie je nach äußeren Bedingungen wie Temperatur und Druck in einem von drei Zuständen vorliegen kann, nämlich fest, flüssig oder gasförmig. Beispielsweise H2O kommt unter normalen äußeren Bedingungen als Eis, Wasser oder Dampf vor.
Bei Temperaturen über 6000–10,000 Kelvin wird Materie ionisiert und verwandelt sich in Plasma, den vierten Materiezustand.
Wie wäre der Zustand der Materie, wenn die Temperatur ultraniedrig und nahe dem absoluten Nullpunkt wäre?
In den Jahren 1924-25 machten Satyendra Nath Bose und Albert Einstein eine theoretische Vorhersage: Boson Wenn Teilchen (also Einheiten mit ganzzahligem Spinwert) auf eine ultraniedrige Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, verschmelzen die Teilchen zu einer einzigen, größeren Einheit mit gemeinsamen Eigenschaften und Verhaltensweisen, die den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen. Dieser Zustand, Bose-Einstein-Kondensat (BEC) genannt, galt als der fünfte Zustand der Materie.
| Aggregatzustände | Temperaturbereich der Existenz |
| Plasma | über 6000–10,000 K |
| Gas | Für Wasser über 100 °C bei normalem Atmosphärendruck |
| Flüssigkeit | Für Wasser zwischen 4°C und 100°C |
| Solid | Für Wasser unter 0°C |
| Bose-Eisenstein-Kondensat (BEC) | Nahe dem absoluten Nullpunkt Etwa 400 Nanokelkin für atomare Bosonen Etwa 5 Nanokelvin für molekulare BCE {1 Nanokelvin (nK) = 10 -9 Kelvin} Absoluter Nullpunkt = 0 Kelvin = -273°C |
Die theoretische Vorhersage des Bose-Einstein-Kondensats (BEC), des fünften Materiezustands, wurde fast sieben Jahrzehnte später im Jahr 1995 Wirklichkeit, als Eric Cornell und Carl Wieman das erste BEC in einem Gas aus Rubidiumatomen erzeugten und kurz darauf Wolfgang Ketterle ein BEC in einem Gas aus Natriumatomen produzierte. Das Trio erhielt gemeinsam den Nobelpreis für Physik 2001.für die Durchführung der Bose-Einstein-Kondensation in verdünnten Gasen von Alkaliatomen und für frühe grundlegende Untersuchungen der Eigenschaften der Kondensate".
Zeitleiste der Fortschritte in der Wissenschaft des fünften Materiezustands
| Meilensteine |
| 1924–25: Die theoretische Vorhersage des fünften Materiezustands. Satyendra Nath Bose und Albert Einstein stellten eine theoretische Vorhersage auf, dass eine Gruppe von Boson-Teilchen, die auf einen Wert nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt würden, zu einer einzigen, größeren Supereinheit mit gemeinsamen Eigenschaften und Verhaltensweisen verschmelzen würde, die durch die Gesetze der Quantenmechanik vorgegeben würden. |
| 1995: Entdeckung des fünften Materiezustands – erste atomare BECs erzeugt. Die theoretische Vorhersage von Bose und Einstein wurde 70 Jahre später Wirklichkeit, als Eric Cornell und Carl Wieman das erste BEC in einem Gas aus Rubidiumatomen erzeugten und kurz darauf Wolfgang Ketterle ein BEC in einem Gas aus Natriumatomen produzierte. |
| Molekulare BCEs Die Erforschung molekularer BCEs, die eine Ultrakühlung im Nanokelvin-Bereich erfordert (10-9 Kelvin) Angebot |
| 2008: Deborah Jin und Jun Ye ein Gas aus Kalium-Rubidium-Molekülen auf etwa 350 NanoKelvin abgekühlt. |
| 2023: Ian Stevenson et al Durch eine Kombination aus Laserkühlung und magnetischen Manipulationen wurde das erste ultrakalte Gas aus Natrium-Cäsium-Molekülen (Na-Cs) bei einer Temperatur von 300 Nanokelvin (nK) erzeugt. |
| 2023: Niccolò Bigagli et al verwendeten Mikrowellen, um die Lebensdauer eines bosonischen Gases aus Natrium-Cäsium-Molekülen von einigen Millisekunden auf über eine Sekunde zu verlängern, ein entscheidender erster Schritt zur Kühlung. Mit ihrer länger haltbaren Probe senkten sie die Temperatur auf 36 Nanokelvin – knapp weniger als die Temperatur, die die Moleküle benötigen, um ein BEC zu bilden. |
| 2024: Niccolò Bigagli et al erzeugt BEC aus molekularen Bosonen (NaCs-Molekülen) bei einer ultrakalten Temperatur von 5 Nanokelvin (nK) |
Seit der Entdeckung im Jahr 1995 werden in Laboren auf der ganzen Welt und in der Internationalen Raumstation (ISS) routinemäßig atomare BECs aus verschiedenen Atomarten hergestellt.
Molekular- Bose-Einstein-Kondensat (BEC)
Atome sind einfache, runde Gebilde ohne polare Wechselwirkungen. Daher haben Forscher schon immer daran gedacht, Bose-Einstein-Kondensate (BEC) aus Molekülen zu erzeugen. Aber selbst aus einfachen Molekülen, die aus zwei Atomen verschiedener Elemente bestehen, war es nicht möglich, BECs zu erzeugen, da es an der Technologie mangelte, um Moleküle auf die wenigen Nanokelvin (nK) abzukühlen, die für die Bildung molekularer BECs erforderlich sind.
Forscher am Will Lab der Columbia University haben konsequent an der Entwicklung ultrakalter Technologie gearbeitet. 2008 gelang es ihnen, ein Gas aus Kalium-Rubidium-Molekülen auf etwa 350 Nanokelvin abzukühlen. Dies half bei der Durchführung von Quantensimulationen und beim Studium von Molekülkollisionen und Quantenchemie, konnte jedoch die BEC-Schwelle nicht überschreiten. Letztes Jahr, im Jahr 2023, nutzten sie Mikrowellen, um die Lebensdauer eines bosonischen Gases aus Natrium-Cäsium-Molekülen zu verlängern und konnten eine niedrigere Temperatur von 36 Nanokelvin erreichen, die näher an der BEC-Schwelle lag.
In einem kürzlich veröffentlichten Bericht berichtet das Will Lab-Team der Columbia University von der erfolgreichen Überschreitung der BEC-Schwelle und der Bildung eines Bose-Eienstein-Kondensats (BEC) aus NaCs-Molekülen bei einer ultrakalten Temperatur von 5 Nanokelvin (= 5 x 10-9 Kelvin). Das molekulare Quantenkondensat war stabil und hatte eine Lebensdauer von etwa 2 Sekunden. Damit endete die jahrzehntelange Suche nach molekularem BEC. Dies ist eine bemerkenswerte Leistung und ein Meilenstein in der Wissenschaft.
Die Erzeugung molekularer Bose-Einstein-Kondensate (BES) wäre langfristig von Bedeutung für die Forschung in den Bereichen der grundlegenden Quantenphysik, Quantensimulationen, Suprafluidität und Supraleitung sowie für die Entwicklung neuer Technologien, beispielsweise neuartiger Quantencomputer.
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References:
- Bigagli, N., Yuan, W., Zhang, S. et al. Beobachtung der Bose-Einstein-Kondensation von dipolaren Molekülen. Nature (2024). 03. Juni 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z Preprint-Version bei arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- Columbia University 2024. Forschungsnachrichten – Das kälteste Labor in New York bietet ein neues Quantenangebot. Gepostet am 03. Juni 2024. Verfügbar unter https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- Die Königliche Schwedische Akademie der Wissenschaften. Erweiterte Informationen zum Nobelpreis für Physik 2001 – Bose-Einstein-Kondensation in alkalischen Gasen. Verfügbar unter https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- NASA. Der fünfte Zustand der Materie. Verfügbar unter https://science.nasa.gov/biological-physical/stories/the-fifth-state-of-matter/
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