Endlich nachgewiesen: Physiker haben erstmals einen exotischen Materiezustand erzeugt, bei dem Material fest und superflüssig zugleich ist. Im Experiment bildeten Dysprosium-Atome gleichzeitig einen Kristall und eine suprafluide Flüssigkeit – eine Flüssigkeit, die widerstandsfrei fließt. Die Existenz solcher Suprafestkörper wurde schon vor rund 70 Jahren vorhergesagt, aber erst jetzt gelang der eindeutige Beweis, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.
Im Alltag kennen wir drei Aggregatszustände von Materie – fest, flüssig und gasförmig. Zusätzlich kennt die Physik aber noch weitere Materiezustände, darunter das Plasma, Bose-Einstein-Kondensate, die Quanten-Spin-Flüssigkeit und Suprafluide. Letztere sind Gase oder Flüssigkeiten ohne jede innere Reibung, die beispielsweise bei ultrakaltem Helium vorkommen, aber auch im Kern von Neutronensternen.
Kristall und Suprafluid zugleich
Jetzt ist es Physikern um Tilman Pfau von der Universität Stuttgart gelungen, einen weiteren exotischen Materiezustand zu erzeugen und nachzuweisen – einen Suprafestkörper. Bei diesem sorgen quantenphysikalische Effekte dafür, dass sich der kristalline Zustand mit dem suprafluiden überlagert. Das Material ist dadurch quasi fest und flüssig zugleich. Ein Atom dieses Suprafestkörpers kann dadurch unvorhersehbar und zufällig Teil des Kristalls oder der Supraflüssigkeit sein.
Theoretisch vorhergesagt wurde dieser exotische Zustand schon in den 1950er Jahren. Eindeutig und zweifelsfrei nachweisen aber ließ er sich bisher nicht – trotz zahlreicher Versuche. Dabei nutzten Physiker meist Helium oder ultrakalte Quantengase, weil diese bereits für ihre Suprafluidität bekannt sind. Meist jedoch wurde dabei nur eine der definierenden Eigenschaften eines Suprafestkörpers gemessen.
Dysprosium-Atome im Überlagerungszustand
Anders bei dem Experiment der Stuttgarter Physiker. Sie haben für ihren Ansatz Dysprosium-Atome bis nahe am absoluten Nullpunkt heruntergekühlt. Unter diesen Bedingungen können die Atome ein Bose-Einstein-Kondensat bilden, eine ungeordnete Tröpfchenwolke oder etwas dazwischen. Um aus der Atomwolke nun einen Suprafestkörper zu erzeugen, tarierten die Forscher die magnetischen Dipol-Wechselwirkungen der Atome so aus, dass sich gleichzeitig eine kristalline Gitterstruktur und die Suprafluidität ausbildeten.
„In diesem weltweiten Wettrennen ist es uns damit zum ersten Mal gelungen, alle drei Bedingungen für einen suprasoliden Zustand in einem Experiment mit ultrakalten Dysprosium-Atomen zu demonstrieren“, freut sich Tilman Pfau. Zu diesen Merkmalen gehört eine Kohärenz und Rigidität der Phase sowie eine periodische Kristallbildung. „Die periodische Kristallbildung konnten wir direkt optisch feststellen und die quantenmechanische Überlagerung durch Interferenzexperimente testen“, erklären Pfaus Kollegen Mingyang Guo und Fabian Böttcher.
Schallwellen bringen den Beweis
Den endgültigen Nachweis, dass es sich tatsächlich um einen Suprafestkörper handelt, lieferten Schallwellen, die mit zwei verschiedenen Geschwindigkeiten durch den Suprafestkörper liefen. Neben der normalen Ausbreitung dieser Phononen tritt dabei eine charakteristische zweite Form von Schallwellen mit einer sehr geringen Geschwindigkeit auf. Dies konnten die Stuttgarter Forscher im Experiment nun erstmals beobachten.
Die Physiker haben damit nicht nur den lange theoretisch vorhergesagten Suprafestkörper erstmals zweifelsfrei nachgewiesen. Ihr Experiment eröffnet nun auch die Möglichkeit, weitere Varianten dieses exotischen Materiezustands zu erzeugen und zu belegen. (Nature, 2019; doi: 0.1038/s41586-019-1569-5)
Quelle: Universität Stuttgart
