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Quantenphysik : So flüssig kann fest sein

Illustration eines suprasoliden Zustands, in dem die Eigenschaften einer reibungsfreien Flüssigkeit mit denen eines Kristalls kombiniert sind. Bild: ETH Zürich/Julian Léonard

Kann etwas fest und flüssig zugleich sein? Physiker haben im Labor eine verblüffende, neue Form von Quantenmaterie entdeckt, die paradoxe Eigenschaften vereint.

          Die Welt der Quantenphysik wird bekanntlich nicht müde, unsere Alltagsintuitionen in die Irre zu führen. So wie bereits Schrödingers Katze unsere Vorstellungskräfte mit ihrer Fähigkeit strapaziert, gleichzeitig tot und lebendig zu sein, gibt es noch viele andere Systeme des Mikrokosmos, die Eigenschaften kombinieren, von denen wir annehmen würden, dass sie sich gegenseitig ausschließen müssen. Nun wurde erstmalig im Experiment eine besonders exotische Art von Materie erzeugt, die Eigenschaften eines Festkörpers mit denen einer Flüssigkeit kombiniert: Die künstlich erzeugte, ultrakalte Quantenmaterie behält ihre spezifische, räumliche Ordnung als feste Form bei, obwohl sie gleichzeitig fließen kann. Letzteres tut sie als suprafluide Quantenflüssigkeit sogar ohne jede innere Reibung.

          Neuer Weg zur Suprasolidität

          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Das Phänomen der sogenannten Suprasolidität wurde schon seit den fünfziger Jahren von theoretischen Physikern diskutiert. Ursprünglich ging man davon aus, dass man ein suprasolides Material am einfachsten dadurch erzeugen könne, dass man Helium unter hohem Druck auf Temperaturen von wenigen Kelvin abkühlt. Tatsächlich weist ultrakaltes Helium faszinierende Eigenschaften auf, es kann als Supraflüssigkeit beispielsweise durch engste Kapillaren dringen und Hindernisse wie senkrechte Wände überwinden.

          Supra­flüssig­keit aus Dysprosium-Atomen: in Bose-Einstein-Kondensaten gehen Materieteilchen eine makroskopische Ordnung ein, hier im angelegten Magnetfeld.
          Supra­flüssig­keit aus Dysprosium-Atomen: in Bose-Einstein-Kondensaten gehen Materieteilchen eine makroskopische Ordnung ein, hier im angelegten Magnetfeld. : Bild: Universität Stuttgart

          Verbunden sind diese Eigenschaften quantenmechanisch mit dem Entstehen eines Bose-Einstein-Kondensats, bei dem Materieteilchen eine makroskopische Ordnung eingehen. Anlässlich der experimentellen Entdeckung der Bose-Einstein-Kondensation visualisierte die Zeitschrift „Science“ 1995 diesen Quanteneffekt auf ihrem Titelblatt anhand kleiner Robotermännchen: Während sich Atome in Gasen normalerweise völlig unkoordiniert bewegen wie eine Gruppe herumtobender Kinder, ähneln Atome in einem Bose-Einstein-Kondensat eher einer im Gleichschritt marschierenden Gruppe von Soldaten. Das Studium von ultrakaltem Helium konnte entsprechend viele Erkenntnisse zum Phänomen der Suprafluidität liefern, Suprasolidität konnte entgegen der theoretischen Erwartungen durch die Abkühlung von Helium allerdings nicht erreicht werden.

          Bose-Einstein-Kondensat als Ausgangspunkt

          Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology, der 2001 für die Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats aus Rubidiumatomen mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurde, beschrieb vergangene Woche, wie er für die Erforschung der Suprasolidität mit seinen Kollegen nun einen anderen Weg gegangen ist: „Wissenschaftler haben ihre Suche auf die Suprasolidität von Helium konzentriert, allerdings ohne Erfolg. Wir haben nun als Werkzeuge ultrakalte Atome bei ultratiefen Temperaturen genutzt, um ein Material zu erzeugen, das Suprasolidität aufweist.“ Konkret starteten die Wissenschaftler vom MIT mit einem suprafluiden Bose-Einstein-Kondensat aus Natrium-Atomen, das bei Temperaturen von wenigen hundert Nanokelvin anhand von Laserlicht präzise manipuliert werden kann.

          Detailansicht des Suprasoliditäts-Experiments der ETH Zürich, bei dem vier Spiegel sich paarweise gegenüberstehen.
          Detailansicht des Suprasoliditäts-Experiments der ETH Zürich, bei dem vier Spiegel sich paarweise gegenüberstehen. : Bild: ETH Zürich

          Eine zentrale Rolle spielte für das Experiment dabei die Tatsache, dass die Atome in dem Kondensat in zwei verschiedenen Spin-Zuständen vorlagen. Übergänge zwischen beiden Zuständen sind mit einer Veränderung der Energie der Atome verbunden - ein Effekt, der Spin-Bahn-Koppelung genannt wird - und können durch eine Bestrahlung mit Laserlicht hervorgerufen werden. Diese laserinduzierte Koppelung beider Spin-Zustände erzeugte in der suprafluiden Natrium-Flüssigkeit ein Streifenmuster in der Zustandsdichte der Atome, das anhand seiner räumlichen Periodizität die Eigenschaften eines Festkörpers erfüllte, obwohl die Suprafluidität erhalten blieb.

          Doppelte Entdeckung

          Überraschenderweise war das von Ketterle und seinen Kollegen beschriebene Experiment aber nicht das einzige, das nun nach jahrzentelanger Suche erfolgreich war. Die Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlichte vergangene Woche neben der MIT-Studie noch eine weitere Arbeit, in der die Erzeugung der kristallin-flüssigen Materie bekanntgegeben wurde (doi: 10.1038/nature21067 und 10.1038/nature21431). Ketterle führt diesen Zufall auf ein großes Interesse an diesem Phänomen zurück: „Es war ein wichtiges Ziel, das viele im Kopf hatten. Und so kam es, dass zwei Gruppen, meine Schweizer Kollegen von der ETH Zürich und mein Team, die Suprasolidität mehr oder weniger gleichzeitig beobachtet haben. Das war im vergangenen Herbst. Ich erinnere mich noch, wie wir in Kalifornien auf einer Konferenz waren. Ich wusste nichts über ihre Resultate, und sie hatten noch nichts von unseren gehört. In einer Veranstaltung verkündeten wir beide: Wir haben suprasolides Material. Es war aufregend.“

          Anders als ihre amerikanischen Kollegen nutzte die Schweizer Gruppe um Julian Léonard in ihrem Experiment ein Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidium, das nur eine einzige Spin-Komponente aufwies. Die Atome wurden zwischen Spiegeln in zwei sich kreuzenden, optischen Resonatoren plaziert und mit einem Laser zu Emission angeregt. Die auf diese Weise im Resonator erzeugte stehende Welle führte dazu, dass sich die Atome in einem regulären Muster räumlich so anordneten, wie man es von Festkörpern kennt. Die Arbeiten stellen die ersten Schritte auf dem Weg zu einem umfassenden Verständnis der Natur suprasolider Materialien und deren Reaktion auf äußere Einflüsse dar. Es ist wohl nicht zu viel versprochen, dass auf diesem Weg noch einige Überraschungen zu erwarten sind.

          Quelle: F.A.Z.

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