Suprafestkörper

Gleichzeitig flüssige und feste Quantenmaterie erstmals nachgewiesen

Suprafestkörper erstmal nachgewiesen

Stuttgarter Physiker haben 70 Jahre nachdem die Theorie von Suprafestkörpern erdacht wurde erstmals einen experimentellen Nachweis dieses Materiezustands erbracht.  

Stuttgart (Deutschland). Die Physik kennt neben den Aggregatszuständen gasförmig, flüssig und fest noch weitere Materiezustände wie Plasma, die Quanten-Spin-Flüssigkeit, die Bose-Einstein-Kondensate und Suprafluide. Dies sind Gase und Flüssigkeiten wie zum Beispiel ultrakaltes Helium in denen es keinerlei innere Reibung gibt. Wissenschaftlern der Universität Stuttgart ist es nun gelungen erstmals einen weiteren Aggregatszustand von Materie zu erzeugen und nachzuweisen.

Laut der im Fachmagazin Nature veröffentlichten Forschungsarbeit handelt es sich dabei um einen sogenannten Suprafestkörper, bei dem durch quantenphysikalische Effekte eine Überlagerung eines kristallinen und suprafluiden Zustands entsteht. Wie die Studien-Autoren für Laien erklären ist das Material somit fest und flüssig zugleich. Dies entsteht dadurch, dass ein Atom des Suprafestkörpers zufällig und ohne nachvollziehbare Muster entweder der Supraflüssigkeit oder dem Kristall angehört.

Nachweis von Suprafestkörper dauert rund 70 Jahre

Die Existenz von Suprafestkörpern wurde bereits in den 1950er Jahren erdacht. Obwohl zahlreiche Physikern seitdem versucht haben den Materiezustand experimentell zu beweisen ist dies bis zur Veröffentlichung der Forscher der Universität Stuttgart nicht geglückt. Bei den vorherigen Experimenten, die meisten auf ultrakalten Quantengasen oder Helium basiert haben, da bei diesen die Suprafluidität bereits bewiesen wurde, gelang es den Wissenschaftlern stets nur eine der erforderlichen Eigenschaften eines Suprafestkörpers zumessen.

Dysprosium-Atome nahe des absoluten Dysprosium-Atomes

Das Experiment der Stuttgarter Physiker nutzte hingegen Dysprosium eine seltene Erde aus der Gruppe der Lanthanoide. Atome dieses Metalls wurden dann nahe an den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt, was dazu führte, dass diese ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugen. Es handelt sich dabei um eine ungeordnete Tröpfchenwolke. Anschließend haben die Forscher die Dipol-Wechselwirkung dieser Atomwolke austariert, um einen Suprafestkörper zu erzeugen, bei dem parallel eine kristalline Gitterstruktur und die Suprafluidität gemessen werden konnte.

Wie Tilman Pfau, Co-Autor der Studie erklärt „ist es in diesem weltweiten Wettrennen damit zum ersten Mal gelungen, alle drei Bedingungen für einen suprasoliden Zustand in einem Experiment mit ultrakalten Dysprosium-Atomen zu demonstrieren.“ Die drei Bedingungen umfassen neben der Kohärenz und Rigidität der Phase auch eine periodische Kristallbildung. Mingyang Guo und Fabian Böttcher fügen hinzu, dass „die periodische Kristallbildung direkt optisch festgestellt werden konnte und die quantenmechanische Überlagerung durch Interferenzexperimente getestet wurde.“

Außerdem konnte mithilfe von Schallwellen, die sich unterschiedlich schnell durch den Suprafestkörper bewegten, nachgewiesen werden, dass tatsächlich der erste Nachweise dieses Materiezustands erfolgte.

Nature, doi: 10.1038/s41586-019-1569-5

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