Wissenschaftler der Technischen Universität Wien haben ein außergewöhnliches Transportphänomen in einem Experiment mit ultrakalten Rubidium-Atomen beobachtet. Ihre in der Fachzeitschrift "Science" veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass Energie und Masse in einem speziell kontrollierten Quantengas ohne jeglichen Widerstand fließen können.
Diese Entdeckung stellt eine fundamentale Ausnahme zu den bekannten physikalischen Gesetzen dar, die normalerweise durch Reibung und Kollisionen Widerstand erzeugen. Die Suche nach Materialien, die verlustfrei Strom leiten können, gilt als Heiliger Gral der Festkörperphysik.
Wie ein atomares Newton-Pendel: Gas verhielt sich wie ein "atomarer Draht"
Das ungewöhnliche Verhalten des Quantengases lässt sich mit dem Prinzip eines Newton-Pendels vergleichen. Wenn eine Kugel zurückgezogen und losgelassen wird, überträgt sie ihren Impuls durch die anderen Kugeln hindurch direkt auf die letzte Kugel, die sich bewegt, als wäre sie unberührt.
"Die Atome in unserem System können nur entlang einer einzigen Linie kollidieren", erklärt Frederik Møller von der TU Wien den Versuchsaufbau laut dem Wissenschaftsportal "SciTech Daily". Dazu sperrten die Physiker tausende Rubidium-Atome mittels magnetischer und optischer Felder ein. Von diesem Element mit der Ordnungszahl 37 wurde kürzlich ein gigantisches Vorkommen in Utah entdeckt. So schufen sie eine Art "atomaren Draht", in dem Impuls und Energie unendlich lange durch das Gas reisen konnten, erklärt das Wissenschaftsportal.
Pendel zeigt eine unbekannte Art von Energie-Transport
Frederik Møller vom Atominstitut der TU Wien erklärt in einer Pressemitteilung, dass es grundsätzlich zwei Arten von Transportphänomenen gibt, die in den verschiedensten Materialien etwa gleich ablaufen:
- Beim ballistischen Transport bewegen sich Teilchen frei und proportional zur Zeit, ähnlich wie ein Geschoss, das geradeausfliegt.
- Diffusiver Transport hingegen entsteht durch viele zufällige Kollisionen, bei denen Energie und Impuls zwischen Teilchen ausgetauscht werden, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Ein Beispiel hierfür ist die Wärmeleitung.
- Im Experiment der TU Wien verhielten sich die Atome jedoch anders. "Die Diffusion war praktisch vollständig unterdrückt", so Møller. So konnte das Team in ihrem Experiment Energie und Masse mit perfekter Effizienz transportieren.
Experiment revolutioniert das Verständnis von Widerstand
Die Ergebnisse des Experiments könnten neue Wege eröffnen, um das Entstehen oder Verschwinden von Widerstand auf quantenmechanischer Ebene zu verstehen. "Diese Ergebnisse zeigen, warum eine solche atomare Wolke nicht thermalisiert – warum sie ihre Energie nicht gemäß den üblichen Gesetzen der Thermodynamik verteilt", erklärt Møller.