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Rastlos bis in alle Ewigkeit

Eindimensionale Gase verhalten sich grundlegend anders als ihre bekannten, dreidimensionalen Kollegen. Während sich Temperatur- oder Konzentrationsunterschiede in diesen im Laufe der Zeit ausgleichen, ist dies bei eindimensionalen Gasen nicht der Fall. Amerikanische Forscher haben experimentell bestätigt, dass die künstlich hergestellten Gase niemals ein thermisches Gleichgewicht erreichen können.

Ein eindimensionales Gas besteht aus hintereinander in einer Kette angeordneten Atomen, die um ihre Ruhelage vibrieren und dabei durch Zusammenstöße mit ihren Nachbarn Impuls und Energie austauschen können. David Weiss und seine Kollegen der Staatsuniversität von Pennsylvania stellten eine derartige Atomkette mittels eines Bose-Einstein-Kondensats bei einer Temperatur von fast Null Kelvin her.

Um die Atome hintereinander anzuordnen und somit ihre Bewegungen auf eine Dimension einzuschränken, griffen die Forscher zu einem Trick: Sie schlossen jeweils etwa 150 Atome mittels Laserstrahlen in einer schlauchförmigen optischen Falle ein. Die Atome wurden dabei durch den Strahlungsdruck der Laserstrahlen an einem Ausscheren aus der Anordnung gehindert.

Um zu überprüfen, wie sich lokale Störungen in dieser Anordnung ausbreiteten, regten die Forscher die Atome mittels eines weiteren Laserstrahls zu verstärkten Zitterbewegungen an. Benachbarte Atome kollidierten so miteinander und tauschten dabei wie zusammenstoßende Billardkugeln einen Teil ihrer mechanischen Impulse aus.

Überraschenderweise wurden allerdings die Amplituden der Zitterbewegungen der einzelnen Atome durch die Kollisionen nicht beeinflusst ? selbst nach Tausenden von Zusammenstößen vibrierte jedes einzelne Atom genau wie zu Anfang der Anregung. Das eindimensionale Gas erreichte daher während des Experiments niemals ein thermisches Gleichgewicht, bei dem alle Atome mit genau der gleichen Amplitude vibrieren würden.

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Weiss glaubt, dass dies ein allgemeines Merkmal eindimensionaler Gase darstellt, und theoretische Untersuchungen des Systems scheinen dies zu bestätigen. Da die Vibrationen der Atome nach Anregung durch eine äußere Kraft somit durch Kollisionen nicht verändert werden, könnten die Ketten etwa als hochsensible Kraftmesser eingesetzt werden, so Weiss.

Nature (Band 440 Seite 900) Stefan Maier
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