Wenn Materie Quantenwellen schlägt

Mit der Verwirklichung der Bose-Einstein-Kondensation in Atomgasen vor fünf Jahren ging ein jahrzehntelanger Traum der Physik in Erfüllung. Gleichzeitig eröffnete sich ein perspektivenreiches neues Forschungsgebiet (Spektrum der Wissenschaft 5/98, S. 44). Zum ersten Mal ließen sich an einem makroskopischen Bose-Gasbläschen bei ultratiefen Temperaturen fundamentale Konzepte der Quantenmechanik überprüfen. Kürzlich konnten wir nun zeigen, dass die wellenartigen Eigenschaften der Materie zu verblüffenden Effekten führen, wie sie von Licht bekannt sind, das an Spalten gebeugt wird.

Normalerweise bewegen sich die Atome von Gasen, abgesehen von Kollisionen, völlig unabhängig voneinander. Doch in Bose-Einstein-Kondensaten vereinigen sie sich zu makroskopischen "Bläschen", die sich wie ein einheitliches, zusammenhängendes Gebilde verhalten. Das ermöglicht es, Quantenobjekte, die sonst zu klein für eine direkte Beobachtung sind, im Größenmaßstab unserer Alltagswelt zu untersuchen.

Zudem zeigt die Materie in diesem Aggregatzustand besonders ausgeprägte Welleneigenschaften: Eine große Anzahl von mehreren Millionen Atomen lässt sich durch eine einzige quantenmechanische Wellenfunktion beschreiben. Nun ist eine Welle – abgesehen von ihrer Wellenlänge und Amplitude, also dem Abstand und der Höhe der Berge und Täler – durch ihre Phase definiert; darunter versteht man die relative Position eines Wellenzugs zu einem festen Referenzpunkt. Kennt man die Phase der Wellenfunktion an einem Ort, ist auch die Phasenlage an einem anderen Ort exakt bestimmt.

Weitreichende Beziehung

Das Besondere an einem Bose-Einstein-Kondensat ist nun, dass diese feste Phasenbeziehung im Prinzip über beliebig weite Abstände im Kondensat gilt