Forschung
Fest und supraflüssig zugleich – Innsbrucker Team erforscht Suprasolidität

Mehrere Zehntausend Gaspartikel organisieren sich spontan in einer selbstbestimmten kristallinen Struktur und weisen gleichzeitig eine gemeinsame makroskopische Wellenfunktion auf – beides Merkmale von Suprasolidität.
  • Mehrere Zehntausend Gaspartikel organisieren sich spontan in einer selbstbestimmten kristallinen Struktur und weisen gleichzeitig eine gemeinsame makroskopische Wellenfunktion auf – beides Merkmale von Suprasolidität.
  • Foto: Universität Innsbruck
  • hochgeladen von Laura Sternagel

INNSBRUCK. Forscher um Francesca Ferlaino an der Universität Innsbruck und an der Österreichischen Akademie der Wissenschaften haben in dipolaren Quantengasen aus Erbium- und Dysprosiumatomen suprasolide Zustände beobachtet.

Suprasolidität ist ein paradoxer Zustand, in dem die Materie sowohl supraflüssige als auch kristalline Eigenschaften besitzt. Die Teilchen sind wie in einem Kristall regelmäßig angeordnet, bewegen sich aber gleichzeitig ohne Reibung wie in einer Supraflüssigkeit. Vor 50 Jahren vorhergesagt, wurde bisher versucht, diesen ungewöhnlichen Materiezustand mit seinen widersprüchlichen Eigenschaften in supraflüssigem Helium nachzuweisen. Nach jahrzehntelanger theoretischer und experimenteller Forschung fehlt jedoch noch ein eindeutiger Nachweis von Suprasolidität in diesem System. Zwei Forschungsgruppen unter der Leitung von Francesca Ferlaino am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften haben nun Merkmale dieses exotischen Zustands in ultrakalten Quantengasen beobachtet.

Tür für eingehendere Forschungen geöffnet

Die Innsbrucker Forscher schafften es, diese Eigenschaften von Suprasolidität sowohl in Erbium- als auch in Dysprosium-Quantengasen zu zeigen, indem sie die Wechselwirkung zwischen den Teilchen entsprechend regeln. Im Dysprosiumgas ist dieser exotische Materiezustand außerordentlich langlebig, was die Tür für eingehendere Untersuchungen weit aufstößt. „Während in Erbium das suprasolide Verhalten wie bei aktuellen, bemerkenswerten Experimenten in Pisa und Stuttgart nur vorübergehend erscheint, ist es im Dysprosium-Quantengas beispiellos stabil“, sagt Francesca Ferlaino. „Hier zeigt sich das suprasolide Verhalten nicht nur sehr lange, es kann auch direkt durch Verdampfungskühlung erreicht werden.“ Wie beim Kühlen einer Tasse Tee durch ständiges Blasen besteht das Prinzip hier darin, die energiereichsten Teilchen zu entfernen und das Gas immer weiter abzukühlen bis schließlich ein quantendegenerierter stationärer Zustand mit suprasoliden Eigenschaften im thermischen Gleichgewicht erreicht ist.

Die Untersuchung bietet spannende Perspektiven für neue Experimente und Theorien. Finanziell unterstützt wurde die Arbeit vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Europäischen Union.

Publikation

Long-lived and transient supersolid behaviors in dipolar quantum gases. L. Chomaz, D. Petter, P. Ilzhöfer, G. Natale, A. Trautmann, C. Politi, G. Durastante, R. M. W. van Bijnen, A. Patscheider, M. Sohmen, M. J. Mark, and F. Ferlaino. Phys. Rev. X 9, 021012 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.021012

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