25.11.2016

Quantenteilchen können Tropfen bilden

Experimente mit magnetischen Atomen bei extrem tiefen Temperaturen haben eine überraschende Materieform aufgedeckt: Diese Atome formen eine neue Art von Quantenflüssigkeit. Die sogenannten „Quantentropfen“ werden ohne äußere Kräfte allein durch Quanteneffekte zusammengehalten. Darüber berichtet ein Team von Forscher/innen mit Beteiligung der ÖAW in der Fachzeitschrift „Physical Review X“.

„Quantentropfen fallen wie ein Stein zu Boden“, schildert Experimentalphysikerin Francesca Ferlaino die überraschende Entdeckung. Mit ihrem Team konnte sie im Labor beobachten, wie sich in einem Quantengas große Tropfen bilden. Überraschend war, dass diese Quantentropfen ohne äußere Unterstützung allein durch Quanteneffekte zusammengehalten werden. Damit ebnen die Forscher/innen von Universität Innsbruck und dem Innsbrucker Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) zeitgleich mit einer Forschungsgruppe der Universität Stuttgart den Weg in ein neues Forschungsfeld: der Physik ultrakalter Quantengase.

Quantentropfen im Labor erzeugt

Im Experiment erzeugen die Forscher/innen zunächst in einer Vakuumkammer bei extrem tiefen Temperaturen ein Bose-Einstein-Kondensat aus Erbium-Atomen. Die Interaktion der Teilchen kontrollieren sie über ein äußeres Magnetfeld. Die besonderen Eigenschaften der magnetischen Atome machen es nun möglich, mit dem Magnetfeld die gewöhnliche Wechselwirkung soweit zu unterdrücken, dass nur noch die Quanteneigenschaften der korrelierten Teilchen zum Tragen kommen.

„Wir stellen das Teilchensystem sozusagen ruhig und verhelfen so den Quanteneigenschaften zur Dominanz“, erklärt ÖAW-Forscherin Francesca Ferlaino. Sie konnte mit ihrem Team erstmals eindeutig belegen, dass Quantenfluktuationen für die Abstoßung der Teilchen sorgen und so ausreichend Oberflächenspannung entsteht, die allein einen Quantentropfen zusammenhält.

„In unserem Experiment haben wir zum ersten Mal den kontrollierten Übergang von einem Bose-Einstein-Kondensat, das sich wie ein superfluides Gas verhält, hin zu einem einzelnen großen Quantentropfen aus rund 20.000 Atomen realisiert“, erläutert Lauriane Chomaz, die Erstautorin der nun in „Physical Review X“ publizierten Studie. Weil die Forscher/innen die Wechselwirkung zwischen den Teilchen kontrollieren können, war es möglich, die experimentellen Daten aus dem Labor mit der von einer Gruppe um Luis Santos an der Universität Hannover entwickelten Theorie zu vergleichen und so die Rolle der Quantenfluktuationen zweifelsfrei nachzuweisen.

Besseres Verständnis von Suprafluidität

Der neue suprafluide Zustand ist zwischen gasförmigen Bose-Einstein-Kondensaten und flüssigem Helium angesiedelt. Seine Erforschung könnte in Zukunft zu einem besseren Verständnis von Suprafluidität beitragen. Suprafluidität bezeichnet in der Physik den Zustand einer Flüssigkeit, bei dem sie jede innere Reibung verliert.

Quantentropfen sind neben Helium das derzeit einzige bekannte System, das suprafluid und flüssig ist. In ultrakalten Quantengasen lässt sich das Phänomen in sehr reiner Form und unter gut kontrollierbaren Bedingungen studieren. Langfristig könnte der Materiezustand sogar Perspektiven für die Untersuchung von Suprasolidität eröffnen, einem quantenmechanischen Zustand von Materie, der gleichzeitig sowohl Eigenschaften fester als auch suprafluider Körper zeigt.