Die Natur wartet immer wieder mit Überraschungen auf, wenn man sich dem absoluten Nullpunkt nähert. So stellte Heike Kamerlingh Onnes schon im Jahr 1911 fest, dass der elektrische Widerstand von Metallen bei tiefen Temperaturen plötzlich verschwindet – sie werden zu Supraleitern. Bei den atomaren Gasen sorgt eine fundamentale Dichotomie von Quantenobjekten für spektakuläre Effekte.
Zwei Sorten von Elementarteilchen
Die Grundbausteine der Materie teilen sich in zwei Klassen: Bosonen und Fermionen, benannt nach Satyendranath Bose und Enrico Fermi. Die beiden Physiker haben erstmals die unterschiedlichen quantenstatistischen Eigenschaften dieser beiden Klassen beschrieben – und damit auch die Verteilung der Objekte auf die quantenphysikalisch zur Verfügung stehenden Energien. Nach dem heutigen Standardmodell der Elementarteilchen sind alle fundamentalen Konstituenten der Materie Fermionen. Die Austauschteilchen hingegen, welche die fundamentalen Kräfte vermitteln, sind bosonischer Natur.
Bei abnehmender Temperatur verringern sich die mittlere Energie und die Energieverteilung der Teilchen. Ab einer bestimmten kritischen Temperatur kommt die Quantenphysik ins Spiel, die für jedes auf einen bestimmten Raumbereich begrenzte Quantenobjekt – in unserem Falle ein Atom – keinen Zustand der absoluten Ruhe zulässt. Aus der Heisenberg’schen Unschärferelation folgt vielmehr, dass dieses Atom immer eine von null verschiedene Bewegungsenergie aufweist.
Bosonenklüngel im Quantenregime
Erreicht die mit der Temperatur zusammenhängende thermische Energie die Größenordnung dieser quantenphysikalischen Minimalenergie, so offenbart sich die Quantennatur der Atome. Denn in diesem Regime verhalten sich Fermionen gänzlich anders als Bosonen. Während es gleichartigen Fermionen nicht erlaubt ist, gemeinsam einen Quantenzustand einzunehmen, wird die Wahrscheinlichkeit, ein weiteres Boson in einem bestimmten Quantenzustand zu finden, sogar erhöht, wenn sich bereits gleichartige Bosonen in diesem Zustand befinden.
