Aus dem Alltag sind uns drei Aggregatzustände bekannt: fest, flüssig und gasförmig. In der Quantenphysik gibt es allerdings Substanzen, die zugleich fest und flüssig sind. Forscher sprechen von suprasolid oder Suprafestkörpern. Deren Existenz wurde bereits in den 1950er Jahren vorhergesagt. Aber erst 2020 gelang es Wissenschaftern aus Italien, Deutschland und Innsbruck unabhängig voneinander, diese auch nachzuweisen – in ultrakaltem Quantengas.
Ultrakaltes Quantengas
Die Innsbrucker Forschungsgruppe wurde von Francesca Ferlaino geleitet, die am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Innsbruck forscht. Ihr Team konnte einen Kristall und eine suprafluide Flüssigkeit gleichzeitig formen – eine Flüssigkeit, die widerstandsfrei fließen kann. Der Versuch basierte auf magnetischen Atomen und ultrakalten Quantengasen, dem sogenannten Bose Einstein-Kondensat. Dieses wird bis knapp über dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) abkühlt.
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Polarität magnetischer Atome
Im ultrakalten Quantengas organisieren sich die Atome durch ihre magnetische Wechselwirkung zu Tröpfchen und ordnen sich in einem regelmäßigen Muster an. Dazu Matthew Norcia aus dem Team von Francesca Ferlaino: „Normalerweise würde man denken, dass jedes Atom in einem bestimmten Tröpfchen zu finden ist, ohne Möglichkeit den Ort zu tauschen. Im suprasoliden Zustand ist jedoch jedes Teilchen über alle Tröpfchen hinweg delokalisiert, es existiert also gleichzeitig in jedem Tröpfchen.“ Diese bizarre Formation ermöglicht den Effekt der Suprafluidität. Das ist das reibungsfreie Strömen trotz der Existenz einer räumlichen Ordnung.
Erstmals Wirbelbildung nachgewiesen
Bisher wurden suprasolide Zustände in Quantengasen immer nur als Aneinanderreihung von Tröpfchen beobachtet, waren also eindimensional. Dem Team um Ferlaino gelang es nun, dieses Phänomen auf zwei Dimensionen zu erweitern – es entstanden Systeme mit zwei oder mehr Reihen von Tröpfchen. Das erweitert auch die Forschungsperspektiven entscheidend. So kann man zum Beispiel in einem zweidimensionalen suprasoliden System untersuchen, wie sich in der Öffnung zwischen mehreren beieinanderliegenden Tröpfchen Wirbel bilden. Diese in der Theorie beschriebenen Wirbel wurden bisher noch nicht nachgewiesen, stellen aber eine wichtige Folge von Suprafluidität dar“, erklärt Ferlaino.
Originalpublikation:
Two-dimensional supersolidity in a dipolar quantum gas. Matthew A. Norcia, Claudia Politi, Lauritz Klaus, Elena Poli, Maximilian Sohmen, Manfred J. Mark, Russell Bisset, Luis Santos, and Francesca Ferlaino. Nature 2021 doi: 10.1038/s41586-021-03725-7 [https://www.nature.com/articles/s41586-021-03725-7, arXiv: 2102.05555]
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