i. Was sind die Eigenschaften eines Bose Einstein Kondensats?
Die offensichtlichste Eigenschaft eines Bose Einstein Kondensats ist die, dass ein großer Teil der Teilchen den Grundzustand besetzt. In Bose Einstein Kondensaten aus Atomen kann man das feststellen, indem man die Geschwindigkeitsverteilung, der Atome im Gas, misst.
Das obige Bild zeigt das Ergebniss einer solchen Messung. Im linken Bild hat sich noch kein Kondensat gebildet, also folgt die Energieverteilung der Bose Einstein Statistik. Im mittleren Bild wurden die Bedingungen für eine Kondensation knapp erreicht. Man erkennt weiterhin deutlich die statistische Verteilung der nicht kondensierten Atome. Aber man kann auch gut sehen dass sich mehr Atome im Grundzustand sammeln als die Bose Einstein Statistik erlaubt. Wohingegen, die Kondensationsbedingungen, im rechten Bild, sehr gut erfüllt werden (z.B. kann die Temperatur viel niedriger sein als nötig). Man kann fast keine statistisch verteilten Atome mehr erkennen, fast alle haben sich im Grundzustand gesammelt.
Die zweite wichtige Eigenschaft ist die Kohärenz, der Wellenfunktionen, der Atome, im Kondensat untereinander. Durch diese Eigenschaft, bilden alle Atome, im Kondensat, zusammen, eine große makroskopische Wellenfunktion, so wie ein Laser aus vielen einzelnen Photonen eine große Lichtwelle erzeugt. An dieser Materiewelle kann man nun ähnliche Phänomene, wie beim Laserlicht, beobachten. Insbesondere ist es möglich zwei zuvor isolierte Kondensate miteinander interferieren zu lassen.
Wenn sich zwei Kondensate überlappen, so können deren Teilchenzahlen nicht, wie bei normalen Gasen, einfach zusammenaddiert werden. Statdessen bildet sich ein Interferenzmuster das Maxima und Minima der Dichte aufweist. Der Abstand zwischen Maxima und Minima hängt von der Masse und der Geschwindigkeit ab mit der sich die Kondensate aufeinander zubewegen.
Ein wichtiger Effekt, der Aufgrund der Wellennatur des Kondensats, beobachtet werden kann, ist das quantenmechanische Tunneln. Quantenmechanische Tunneln ist, wie der Name schon sagt, ein Effekt der in Systemen auftaucht, in denen Quanteneffekte dominant sind. Vereinfacht ausgedrückt können, in der Quantenmechanik, Objekte, mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, durch Wände hindurchtunneln, während klassische Teilchen immer von einer Wand abprallen würden.
Diese Eigenschaft eröffnet die Möglichkeit weiterer Quanteneffekte wie dem Josephson Effekt. Der Josephson Effekt tritt auf, wenn zwei makroskopische Wellenfunktionen, z.B. zwei Kondensate. Schwach aneinander gekoppelt werden. Das bedeutet dass sie durch eine Wand getrennt sind die hoch genug ist, so dass normalerweise keine Teilchen ausgetauscht werden können, aber niedrig genug dass die Wahrscheinlickeit zum Tunneln nicht zu gering wird.
Dieser Effekt könnte, in zukünftigen Quantencomputern, eine große Rolle spielen. Quanten Computer arbeiten auf einer völlig anderen Grundlage als unsere heutigen Computer. Dadurch sind sie in manchen Anwendungen um ein vielfaches schneller als heutige Computer und könnten zum Beispiel die stärksten, heute verfügbaren, Verschlüsselungen innerhalb von Sekunden knacken. Quanten Computer arbeiten nicht mit Bits sondern mit sogenannten Qubits. Da ein Bose Einstein Kondensat ein makroskopische Quantenobjekt darstellt, könnte es möglich sein, mit seiner Hilfe, ein robustes Qubit zu konstruieren.
Gegenwärtige Quantencomputer [en] müssen bis knapp über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden. Dadurch ist ihr Betrieb sehr aufwändig und, zur Zeit, für den Heimgebrauch nicht denkbar. Die Quasi Teilchen von Spin Wellen, in einem Festkörper, die Magnonen, sind ebenfalls in der Lage eine Bose Einstein Kondensation zu vollziehen. Der große Vorteil bei dabei ist, dass die Bose Einstein Kondensation, in diesem System, sogar schon bei Zimmertemperatur stattfindet.
Dem Leser dürften einige Begriffe aus dem letzten Absatz nicht bekannt sein, daher werden sie im folgenden erläutert. Das nächste Kapitel behandelt zunächst