„Bosonen sind Teilchen, die sich gerne zusammentun. Im Gegensatz dazu sind Fermionen quasi Einzelgänger“, erklärt Ass.Prof. Helga Böhm von der Abteilung Vielteilchensysteme des Instituts für Theoretische Physik der JKU. Alle Teilchen fallen in eine der beiden Kategorien. Fermionen zeigen das kompliziertere Verhalten – ihre Beschreibung erfordert daher einen mathematisch viel höheren Aufwand.

So grundverschieden die beiden Arten sind, bei kollektivem Verhalten reagieren sie erstaunlich gleich. Das Verhalten einer Ansammlung sehr vieler Quantenteilchen kann man mit der Begeisterung von Zuschauern in einem Stadion vergleichen. Diese kann sich als Jubelrufe Einzelner ausdrücken, aber auch als „La Ola“ Welle der gesamten Menge. „Wenn ganz unterschiedliche Menschen plötzlich gemeinsam jubeln“, so Böhm, „nennen das die Physiker eine kollektive Anregung“. Bei Bosonen ist sie von ganz langen bis zu sehr kurzen Wellenlängen möglich. Bei Fermionen hingegen hielt man bisher nur sehr langwellige kollektive Schwingungen für stabil.

Erstmaliger Nachweis
Die Berechnungen DI Dr. Martin Panholzers beweisen nun das Gegenteil: Während mittlere Wellenlängen tatsächlich stark gedämpft werden, zeigen sehr kurzwellige Fermionen klare kollektive Anregungen. Ein bahnbrechender Erfolg: „Das könnte zum Verständnis von Hochtemperatur-Supraleitern beitragen“, freut sich Panholzer.

Krotscheck, weltweit führender Experten für Quantenfluide, und sein Team wurden auf einem internationalen Kongress auf die an der Neutronenquelle in Grenoble gemessenen Daten aufmerksam. „Die französischen Kollegen konnten das Experiment nicht interpretieren“, schmunzelt Panholzer (inzwischen am Institut für Elektrische Antriebe und Leistungselektronik), “weil keine gängige Theorie die Ergebnisse erklärt“. Die Arbeit der Linzer beweist: Die Messung war nicht nur richtig, sondern zeigt auch einen noch nie beobachteten Effekt. „In Frankreich haben sie sich über unser Ergebnis genauso gefreut wie wir“, so Panholzer. Eine Forschungs-arbeit also, mit der alle zufrieden sind – außer vielleicht die griesgrämigen Fermionen.

Umfassende Theorie
Nach dem Grund für den Erfolg befragt, erklärt Prof. Krotscheck: "Es liegt an unserem Einsatz und unserer Einstellung. Wir haben nicht versucht, Experimente, die wir bereits kannten, zu reproduzieren. Um zu erfahren, wie die Natur auf mikroskopischer Ebene funktioniert, haben wir eine Theorie entwickelt, die eine breite Palette an Situationen und Systemen umfasst. Unser Anspruch war, dass unsere mathematische Erklärung sowohl für Fermionen als auch für Bosonen zutraf – in verschiedenen Dimensionen und sowohl für kohärente wie auch inkohärente Anregungen. Erst als wir das geschafft hatten, haben wir uns auch die Experimente angesehen."