04.01.2021

Gequirlte Suprafestkörper

Ein Suprafestkörper ist flüssig und fest zugleich. Was passiert, wenn ein solcher Materiezustand aus dem Gleichgewicht gebracht wird, wurde nun erstmals von mehreren Forscher/innenteams untersucht. Ihre dabei gewonnenen und durchaus überraschenden Ergebnisse publizierten Quantenphysiker/innen von ÖAW und Universität Innsbruck im Fachmagazin "Nature Physics".

© IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch
© IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch

Im vergangenen Jahr, mehr als fünfzig Jahre nach ersten theoretischen Vorhersagen, ist es Wissenschaftler/innen in Pisa, Stuttgart und Innsbruck unabhängig voneinander gelungen, mit ultrakalten Quantengasen aus starkmagnetischen Atomen erstmals sogenannte Suprafestkörper zu erzeugen. Dieser Materiezustand ist quasi fest und flüssig zugleich. „Aufgrund quantenphysikalischer Effekte kann ein sehr kaltes Gas aus Atomen spontan gleichzeitig eine kristalline Ordnung wie ein fester Kristall sowie den Teilchenfluss eines Superfluids aufweisen, das heißt einer Quantenflüssigkeit, die ohne Reibung fließen kann“, erklärt Francesca Ferlaino vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und dem Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. „Stark vereinfacht kann man sich einen dipolaren Suprafestkörper als eine Kette von Quantentröpfchen vorstellen, die über eine dünne, sie umgebende supraflüssige Wolke miteinander kommunizieren“, erläutert Thierry Giamarchi, theoretischer Physiker von der Universität Genf.

Überraschend reversibel

In der Fachzeitschrift "Nature Physik" berichten die Wissenschaftler/innen nun, wie ein Suprafestkörper reagiert, wenn die supraflüssige Wolke zwischen den Tröpfchen mit Hilfe eines externen Magnetfelds entleert wird. „Wir haben gezeigt, dass die Tröpfchen ohne die Wolke schnell beginnen, sich wie kleine unabhängige Quantensysteme zu verhalten. Der Suprafestkörper verwandelt sich wieder in einen normalen Festkörper“, erzählt der Forscher Maximilian Sohmen. „Dieser ‚Festkörper‘ ist jedoch weich, er kann sich verformen und unterstützt viele kollektive Anregungen, sogenannte Phononen“, ergänzt der Studien-Erstautor Philipp Ilzhöfer. „Das macht diesen Zustand zu einem sehr interessanten, aber komplexen Untersuchungsgegenstand mit starken Verbindungen zur Festkörperphysik und anderen Fachgebieten.“

Den Innsbrucker Physiker/innen gelang es überraschenderweise, diesen Dephasierungsprozess auch wieder umzukehren: Wenn die Wolke im Hintergrund wieder aufgefüllt wird, beginnen die Tröpfchen wieder durch Tunnel von Teilchen miteinander zu kommunizieren und stellen so die Suprafestigkeit wieder her.

 

Publikation

Phase coherence in out-of-equilibrium supersolid states of ultracold dipolar atoms. P. Ilzhöfer, M. Sohmen, G. Durastante, C. Politi , A. Trautmann, G. Natale, G. Morpurgo, T. Giamarchi, L. Chomaz, M. J. Mark, and F. Ferlaino. Nature Physics 2020
DOI: 10.1038/s41567-020-01100-3

Finanziell unterstützt wurden die Forschungen unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, dem Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung, dem Schweizerischen Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung und der Europäischen Union.