Wirbelnde Quantenkringel

News: Wirbelnde Quantenkringel

Windhosen und Strudel sind allgemein bekannte Beispiele für Wirbel in der Natur. Ihr Kern kann sich auch zu einem Kreis zusammenschließen, sodass sich eine rotierende, Kringel-artige Struktur bildet, wie sie mancher Pfeifenraucher kunstvoll in die Luft zu pusten vermag. Solche Gebilde sagten Theoretiker auch für die bizarren Materieformen eines Suprafluids und eines Bose-Einstein-Kondensats vorher. Allerdings gelang es erst jetzt, die ringförmigen Verwirbelungen mit einem trickreichen Experiment sichtbar zu machen.

Thorsten Krome

Was strömt und fließt, bringt zuweilen auch Wirbel hervor. Ob es nun der Strudel über dem Ablauf der Badewanne ist oder ein ausgewachsener Wirbelsturm, der regelmäßig die Bewohner der amerikanischen Ostküste in Angst und Schrecken versetzt, – der Beispiele gibt es viele. Allen gemein ist, dass Materie um einen zentralen Kern rotiert. Die meisten Strudel und Wirbel haben außerdem ein Anfang und ein Ende. Es spricht aber nichts gegen eine geschlossene, ringartige Struktur, und so ist auch diese zu beobachten: Ein geschickter Raucher etwa kann seinen Qualm in solchen Ringen aus dem Mund hauchen.

Wirbelchen tauchen in der Physik aber auch in sehr ungewöhnlichen Materieformen auf. Ein Beispiel dafür sind Supraleiter oder auch Suprafluide. Letztere sind seltsame Flüssigkeiten, die engste Kapillaren ohne Reibung passieren, selbständig die Wände heraufklettern und die offenbar sogar die besonderen, geschlossen ringförmigen Wirbel ausbilden. Zumindest vermuten das einige Theoretiker. Nun ist dies aber recht schwer anhand einer dichten suprafluiden Flüssigkeit, wie es beispielsweise Helium bei sehr tiefen Temperaturen ist, nachzuprüfen. Deshalb suchten Forscher nach anderen, ähnlichen Systemen.

Ihre Wahl fiel auf das nicht minder wunderliche Bose-Einstein-Kondensat. Ein Form von Materie, bei der sich alle Bestandteile im niedrigsten energetischen Zustand befinden und sich wie ein einziges Teilchen verhalten. So ein Kondensat, von Einstein in den zwanziger Jahren erstmals vorausgesagt, konnte erst 1995 durch extremes Abkühlen von Rubidium-87 am Joint Institute of Laboratory Astrophysics hergestellt werden. Wissenschaftler desselben Instituts haben nun durch Computersimulationen herausgefunden, dass das Kondensat tatsächlich die Ringwirbel bilden sollte.

Nun galt es, das Phänomen auch experimentell nachzuweisen. Eric Cornell vom National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado in Boulder sowie Charles Clark, ebenfalls vom NIST, bereiteten dazu zunächst ein Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidium-87-Atomen vor: Sie teilten die kugelförmige Wolke mithilfe von Mikrowellenstrahlung und durch Bestrahlen mit einem abgestimmten Laser in zwei Teile. Damit diese Konfiguration zunächst stabil blieb, füllten sie den Zwischenraum mit einem Kondensat aus gleichen Atomen, allerdings in einem anderen quantenmechanischen Zustand.

Als die Wissenschaftler die stabilisierenden Füllatome mit einem Laserstrahl heraus schossen, zerfiel denn auch der fragile Zustand. Die dabei entstehenden Gebilde sind allerdings viel zu klein, um sie unter normalen Umständen beobachten zu können. Deshalb schalteten die Forscher kurzerhand die magnetische Falle ab, die das Kondensat gefangen hielt. Daraufhin floss die Atomwolke auch sofort auseinander, und zwei dunkle Flecken zeigten sich im Kondensat. Um sicher zu gehen, dass es sich hierbei auch wirklich um einen Ringwirbel handelte, nahmen die Physiker das Bose-Einstein-Kondensat von zwei Seiten auf. Und sie stellten fest: Es war ein Wirbelring.