Pfannkuchenform verhindert den Kollaps

Instabilitäten von sich anziehender Materie sind in der Astrophysik seit langem bekannt und führen zu so spektakulären Ereignissen wie einer Supernova. Auch ein Gas aus lauter kleinen atomaren Magneten ist nicht stabil. Es implodiert durch die anziehende Wechselwirkung zwischen den Magneten. Die Forschergruppe von Prof. Tilman Pfau am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart hat nun das komplette Stabilitätsdiagram, das heißt die Grenze zwischen stabilen und instabilen Zuständen eines Quantengases aus Magneten vermessen und die Ergebnisse in der jüngsten Ausgabe von Nature Physics publiziert.*)

Dass sich anziehende Materie nicht stabil ist, hat jeder schon einmal erfahren, der mit einer Ansammlung von Magneten gespielt hat: sie klumpen einfach zusammen. Das gilt auch, wenn die Magneten durch ein äußeres Magnetfeld polarisiert werden. Stabil werden sie erst, wenn sie gleichzeitig in einer flachen Scheibe – Wissenschaftler sprechen von einer Pfannkuchenform – gefangen gehalten werden. Eine Kugel- oder Zigarrenform ist dagegen instabil. Dann hilft nur noch eine zusätzliche abstoßende Wechselwirkung, um das kollapsartige Zusammenklumpen zu verhindern.

Die von der Arbeitsgruppe von Prof. Tilman Pfau im Rahmen eines Projekts des transregionalen Sonderforschungsbereichs SFB/TRR21 „Control of quantum correlations in tailored matter“ (Co.Co.Mat) untersuchten Quantengase aus Magneten bestehen aus ultrakalten Chromatomen, die nach einem Phasenübergang als Bose-Einstein Kondensat vorliegen. In dieser besonderen Form von Quantenmaterie können sowohl die Wechselwirkungen zwischen den Magneten als auch die einfangende Form kontrolliert eingestellt werden. Theoretische Vorhersagen zu den Grenzen zwischen stabilen und instabilen Bereichen hatte Tilman Pfau zusammen mit einer polnischen Arbeitsgruppe schon vor fast zehn Jahren publiziert. Nun ist endlich der experimentelle Nachweis gelungen, dass sich das Quantengas tatsächlich wie vorhergesagt verhält und eine Pfannkuchenform das Gas stabilisiert.

Momentan studiert die Gruppe, wie der Kollaps vonstatten geht. Da die Implosion Ähnlichkeit mit einer Supernova hat, wird sie auch als „Bose Nova“ bezeichnet. Dabei werden durch die magnetische Wechselwirkung in bestimmten Parameterbereichen neue Zustände der Quantenmaterie erwartet. Ein gesteuerter Kollaps könnte aber auch genutzt werden, um Chromatome haargenau auf einer Oberfläche abzusetzen.

*) Tobias Koch, Thierry Lahaye, Jonas Metz, Bernd Fröhlich, Axel Griesmaier, Tilman Pfau: „Stabilizing a purely dipolar quantum gas against collapse“, arXiv:cond-mat 0710.3643, to be published in Nature Physics (2008), DOI number 10.1038/nphys887.

Weitere Informationen bei Prof. Tilman Pfau, 5. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-68025, e-mail: t.pfau@physik.uni-stuttgart.de.