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Kristallin und flüssig zugleich
Wenn man Materie nahe an den absoluten Nullpunkt abkühlt, stellen sich mitunter bemerkenswerte Phänomene ein. Zu ihnen gehört auch die Suprasolidität, bei der regelmässige Strukturen und reibungsloses Fliessen gleichzeitig vorkommen. ETH-Forschern gelang es nun erstmals, diesen merkwürdigen Zustand experimentell nachzuweisen.
Fest, flüssig oder gasförmig – in diesen drei klar definierten Zuständen nehmen wir Materie in unserer Alltagswelt wahr. Dass Substanzen die Eigenschaften von zwei Zustände gleichzeitig annehmen können, ist für uns deshalb nur schwer vorstellbar. Doch in der Welt der Quantenphysik ist genau dies möglich: Dort kann die Materie mitunter Eigenschaften in sich vereinen, die sich auszuschliessen scheinen.
Ein solch paradoxer Zustand ist die Suprasolidität: Wenn die Materie diesen Zustand annimmt, weist sie einerseits die Eigenschaften eines festen Materials auf; gleichzeitig verhält sie sich aber wie eine sogenannte Supraflüssigkeit. In einem suprasoliden Zustand sind die Atome also regelmässig angeordnet wie in einem Kristall, gleichzeitig bewegen sie sich aber ohne Reibung wie in einer Supraflüssigkeit.
Raffinierte Versuchsanordnung
Bisher gab es Suprasolidität nur als theoretisches Konstrukt. Eine Forschergruppe um Tilman Esslinger, Professor für Quantenoptik am Institut für Quantenelektronik, und Tobias Donner, Senior Scientist am gleichen Institut, berichtet nun in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift «Nature», dass sie erstmals einen solchen suprasoliden Zustand kreieren konnten.
Die Forscher kühlten in einer Vakuumkammer eine kleine Menge Rubidium-Gas auf eine Temperatur von wenigen Milliardstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt ab, so dass sich diese Atome zu einem sogenannten Bose-Einstein-Kondensat verdichteten. Dabei handelt es sich um ein spezielles quantenphysikalisches Gebilde, das sich wie eine Supraflüssigkeit verhält.
Dieses Kondensat platzierten die Forscher in eine Vorrichtung mit zwei sich kreuzenden optischen Resonanzkammern, bestehend aus je zwei kleinen, gegenüberliegenden Spiegeln. Das Kondensat wurde anschliessend mit Laserlicht beleuchtet, das in diese beiden Kammern gestreut wurde. Die spezielle Kombination der beiden Lichtfelder in den Resonanzkammern führte dazu, dass sich die Atome im Kondensat regelmässig anordneten, dass sich also eine kristallähnliche Struktur formte. Trotzdem behielt das Kondensat die Eigenschaften bei, die es als Supraflüssigkeit hatte. Die Atome im Kondensat liessen sich – zumindest in einer Richtung – also immer noch ohne Energieaufwand verschieben, was in einem «normalen» Festkörper nicht möglich wäre.
«Diesen speziellen Zustand tatsächlich zu erzeugen, gelang uns nur, weil wir eine sehr raffinierte Konstruktion hatten, mit der wir die beiden Resonanzkammern für die Atome gleichartig machen konnten», erklärt Esslinger.
Theoretisches Konzept realisiert
Mit ihrem Experiment konnten die Physiker um Esslinger und Donner ein theoretisches Konzept realisieren, das unter anderem auf den britischen Physiker David Thouless zurück geht. 1969 vermutete dieser, dass eine Supraflüssigkeit gleichzeitig kristallin sein könnte. Aufgrund von theoretischen Überlegungen kam man zum Schluss, dass dieses Phänomen am einfachsten in Helium nachgewiesen werden könnte, wenn dieses auf nur wenige Kelvin über den absoluten Nullpunkt abgekühlt wird. 2004 glaubte eine amerikanische Gruppe, ihr wäre der experimentelle Nachweis gelungen. Später führte sie ihre Messungen jedoch auf Oberflächeneffekte von Helium zurück. «Mit unserer Arbeit gelang es nun, Thouless’ Überlegungen umzusetzen», erklärt Donner. «Allerdings erbrachten wir den Nachweis nicht mit Helium, sondern mit einem Bose-Einstein-Kondensat.»
In der gleichen Nature-Ausgabe findet sich übrigens noch eine zweite Studie zu diesem Thema: Eine Forschergruppe um Wolfgang Ketterle vom MIT machte im letzten Herbst – kurz nach den ETH-Forschern – publik, dass auch ihnen der Nachweis der Supersolidität gelungen sei. Allerdings basiert die Arbeit der MIT-Forscher auf einem anderen experimentellen Ansatz.
Literaturhinweis
Léonard J, Morales A, Zupancic P, Esslinger T, Donner T: Supersolid formation in a quantum gas breaking a continuous translational symmetry. Nature 2017, 543: 87-90, doi: 10.1038/nature21067