Physikern des National Institute of Standards and Technology in den Vereinigten Staaten ist es gelungen, ein Plasma bei einer Temperatur von nur einem Grad Kelvin über dem absolutem Nullpunkt herzustellen. Dazu ionisierten sie ultrakalte neutrale Atome zu Ionen und freien Elektronen. Die Erforschung dieses Plasmas ist sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die Kosmologie von Interesse.
In ihrem Experiment kühlte das Team um Steven Rolston neutrale Atome auf nur wenige Bruchteile eines Grades über dem absoluten Nullpunkt ab. Mittels eines kurzen Laserimpulses gelang es ihnen im folgenden, einzelne Elektronen von den Atomen abzutrennen – es entstand ein Plasma aus freien Elektronen und positiv geladenen Atomrümpfen. Der gesamte Vorgang war nur mit einer Temperaturerhöhung von etwa einem Grad verbunden.
Das so erzeugte ultrakalte Plasma zeigt eine Reihe von interessanten physikalischen Eigenschaften auf, die sich mit bisherigen theoretischen Plasmamodellen nur unzureichend erklären lassen. So ist etwa die Rekombinationsrate der freien Elektronen mit den positiven Atomrümpfen zurück zu neutralen Atomen um ein Vielfaches größer als von bisherigen Theorien vorhergesagt. Diese Theorien lassen sich zwar erfolgreich auf typische, heiße Plasmen anwenden – ob sie allerdings Prozesse in kalten Plasmen hinreichend genau beschreiben, ist fraglich.
Plasmas (“ionisierte Gase”) kommen zumeist nur bei extrem hohen Temperaturen vor – die Korona unserer Sonne etwa hat eine Temperatur von mehreren Millionen Grad Celsius. Es wird allerdings vermutet, das die Materie der großen Gasplaneten unseres Sonnensystems sowie im Innern von sogenannten Weißen Zwergen in Form eines kalten Plasmas vorliegt. Laborexperimente mit kalten Plasmen sind daher auch für die Astrophysik und die Kosmologie im weiteren Sinne relevant.
Stefan Maier
