Österreichische Physiker haben erstmals experimentell die Bindungsenergie von gekoppelten Fermionenpaaren in einem Bose-Einstein-Kondensat bestimmt. Das Team erhofft sich davon neue Erkenntnisse zum Verständnis von Supraleitern. In diesen tun sich jeweils zwei Elektronen – also ebenfalls Fermionen – zu so genannten Cooper-Paaren zusammen, die den verlustfreien Stromtransport ermöglichen.

Bislang konnten keine freien Fermionenpaare so detailliert untersucht werden wie in dem Experiment der Forschergruppe um Rudolf Grimm von der Universität Innsbruck, denn Cooper-Paare sind normalerweise in Festkörpern gefangen.

Die Österreicher gingen nun jedoch den Umweg über ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat. Wie der Name bereits andeutet, besteht dieses normalerweise aus Bosonen, also Teilchen mit ganzzahligem Spin. Fermionen wie Elektronen oder einige Atome haben dagegen einen halbzahligen Spin.

Beide Teilchensorten verhalten sich bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts von -273,15 Grad Celsius vollkommen unterschiedlich. Bosonen nehmen hier alle den gleichen Zustand ein. Sie bilden ein Bose-Einstein-Kondensat: Selbst Tausende oder Millionen einzelner Teilchen verhalten sich dann so, als wären sie nur ein einziges Objekt. Dieses quantenmechanische Verhalten führt zu so ungewöhnlichen Phänomenen wie der Supraleitung oder Suprafluidität, also das Fließen ohne jeglichen Widerstand.

Fermionen verhalten sich dagegen klassisch: Sie schmiegen sich zwar ebenso bei tiefen Temperaturen möglichst eng aneinander, bleiben aber letztlich eigenständig.

Damit sie sich wie Bosonen verhalten, muss ein wenig nachgeholfen werden. Das Team aus Innsbruck kühlte daher ein Gas aus fermionischen Lithium-6-Atomen auf 500 Nanokelvin ab. Mit einem Magnetfeld drehten die Experimentatoren dann einige der Spins der Atome um, die sich so mit anderen zu Paaren zusammenschlossen und ein Bose-Einstein-Kondensat bildeten. Durch Einstrahlen von elektromagnetischen Wellen brachen die Forscher schließlich die Bindung dosiert wieder auf und bestimmten so deren Energie.

Als nächstes wollen sie versuchen, das Fermionengas zu verwirbeln, um zu testen, ob es sich wie eine Supraflüssigkeit verhält.