Ein Bose-Einstein-Kondensat, oft abgekürzt als BEK oder BEC, ist ein Aggregatzustand der Materie, der bei extrem tiefen Temperaturen, nahe dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin oder -273,15 Grad Celsius), auftritt. In diesem Zustand befindet sich eine große Anzahl von Bosonen, einer bestimmten Klasse von Elementarteilchen oder zusammengesetzten Teilchen mit ganzzahligem Spin, im gleichen quantenmechanischen Grundzustand. Dies führt zu einem makroskopischen Quantenphänomen, bei dem sich die Teilchen wie eine einzige, kohärente Materiewelle verhalten, anstatt als einzelne, voneinander unabhängige Entitäten. Es ist ein faszinierendes Beispiel dafür, wie Quantenmechanik auf einer sichtbaren, beinahe alltäglichen Skala in Erscheinung treten kann, weit über die mikroskopische Welt der Atome und subatomaren Teilchen hinaus.

Die Existenz des Bose-Einstein-Kondensats wurde erstmals in den 1920er Jahren theoretisch vorhergesagt. Satyendra Nath Bose entwickelte 1924 eine neue statistische Methode zur Beschreibung von Photonen, die Albert Einstein 1925 auf Materieteilchen mit ganzzahligem Spin, sogenannte Bosonen, anwandte. Einstein erkannte, dass bei ausreichend tiefen Temperaturen ein signifikanter Anteil dieser Bosonen in den niedrigsten Energiezustand, den Grundzustand, kollabieren würde. Es dauerte jedoch bis 1995, bis das erste Bose-Einstein-Kondensat experimentell erzeugt werden konnte. Eric Cornell und Carl Wieman gelang dies an der University of Colorado mit Rubidium-Atomen, kurz darauf folgte Wolfgang Ketterle am MIT mit Natrium-Atomen. Für diese bahnbrechenden Arbeiten erhielten sie 2001 gemeinsam den Nobelpreis für Physik.

Die Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats ist ein komplexer Prozess, der extreme experimentelle Bedingungen erfordert. Zunächst werden Atome, die als Bosonen fungieren (z.B. Alkali-Atome wie Rubidium, Natrium oder Lithium, da ihre Gesamtzahl an Protonen, Neutronen und Elektronen einen ganzzahligen Spin ergibt), in einer Vakuumkammer gefangen. Anschließend werden sie durch eine Kombination von Laser- und Verdampfungskühlung auf Temperaturen von wenigen Nanokelvin abgekühlt. Laserkühlung verlangsamt die Atome durch den Impulsaustausch mit Photonen, während die Verdampfungskühlung die energiereichsten Atome aus dem System entfernt, wodurch die verbleibenden Atome im Durchschnitt kälter werden. Erreicht die Temperatur einen kritischen Wert, der von der Dichte der Atome und ihrer Masse abhängt, überlappen sich die Materiewellen der einzelnen Atome so stark, dass sie zu einem einzigen, kohärenten Makroteilchen verschmelzen.

Ein charakteristisches Merkmal eines Bose-Einstein-Kondensats ist seine Superfluidität, was bedeutet, dass es ohne jegliche Viskosität oder Reibung fließen kann. Es zeigt auch Interferenzmuster, ähnlich wie Lichtwellen, wenn es aus dem Fallengitter freigesetzt wird, was die Wellennatur der Materie auf makroskopischer Ebene eindrucksvoll demonstriert. Die Atome im Kondensat sind nicht mehr als individuelle Entitäten unterscheidbar; sie teilen sich einen einzigen quantenmechanischen Zustand. Dies führt zu einer Vielzahl von ungewöhnlichen Eigenschaften, darunter eine extrem hohe Dichte im Kern des Kondensats und eine extrem geringe kinetische Energie der Teilchen. Die kohärente Natur des Kondensats macht es zu einem idealen System für Präzisionsmessungen und die Untersuchung grundlegender Quantenphänomene.

Die Forschung an Bose-Einstein-Kondensaten hat sich seit ihrer ersten Realisierung rasant entwickelt und birgt ein enormes Potenzial für zukünftige Technologien und grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse. Sie werden beispielsweise für die Entwicklung hochpräziser Sensoren wie Atominterferometer und Atomuhren eingesetzt, die weit genauer sind als herkömmliche Geräte. Im Bereich der Quanteninformation und des Quantencomputings dienen BEKs als vielversprechende Plattformen zur Erforschung der Realisierung von Qubits und zur Entwicklung neuer Quantenalgorithmen. Darüber hinaus ermöglichen sie die Simulation komplexer Festkörperphänomene und die Untersuchung von Vielteilchensystemen, die sonst schwer zugänglich wären. Die Erforschung von Bose-Einstein-Kondensaten auf der Internationalen Raumstation (ISS) eröffnet zudem Möglichkeiten, die Auswirkungen der Schwerkraft auf diese empfindlichen Systeme zu minimieren und noch tiefere Einblicke in ihre fundamentalen Eigenschaften zu gewinnen.