15.10.2018

Lichtinduzierte Suprafluidität

Zustand von Quantenmaterie lässt sich durch Licht ver­ändern.

Quantenmaterie sind Stoffe, in denen das quantenmechanische Ver­halten der Bestand­teile, zum Beispiel der Wellen­charakter der Elek­tronen­bewe­gung, über­wiegt. Auch die Aggre­gat­zustände sind beson­ders: Unter bestimmten Ein­flüssen bildet sich ein Supra­fluid, bei dem jede innere Reibung ver­loren geht und dafür eine hohe Wärme­leit­fähig­keit vor­handen ist. Bisher war die Ent­stehung von Supra­fluiden nicht extern steuer­bar, doch einem Forscher­team um Ludwig Mathey und Andreas Hemme­rich von der Uni Hamburg ist es jetzt gelungen, die kristal­line Ord­nung erfolg­reich zu stören. Das Team hat Licht ein­ge­setzt, um zu ver­hindern, dass die Kristalle im Quanten­system die für sie typische Ordnung ein­nehmen.

Abb.: Durch die Bestrahlung der Quantenmaterie mit Licht, das in seiner Frequenz vari­iert, wird die die kristal­line Ordnung unter­drückt und ein Supra­fluid ent­steht. (Bild: UHH)

Die Forscher brachten eine Gaswolke aus kalten Atomen zwischen zwei hoch­reflek­tie­renden Spiegeln ein. Ein externer Pump­laser­strahl wurde auf die Atom­wolke gerichtet, wobei das Licht in einer bestimmten Frequenz schwang, um die kristal­line Ordnung in kontrol­lierter Weise zu stören. Wenn die Inten­sität des Strahls stark genug ist, organi­sieren sich die unge­ord­neten Atome aus der Gas­phase normaler­weise spontan in einem kristal­linen Schach­brett­muster. Diese Selbst­orga­nisa­tion ver­hindert die Ent­stehung eines Supra­fluids, die durch die kristal­line Ordnung unter­drückt wird. Das Team zeigte, dass man mit einer gezielten Vari­a­tion der Frequenz die Balance zugunsten der Supra­fluid­phase kippen kann.

„Wir beobachten in unseren Computersimulationen, dass eine perio­dische Modu­la­tion der Pump­inten­sität die domi­nie­rende selbst­orga­ni­sierte Phase desta­bi­li­sieren kann“, erklärt Jayson Cosme von der Uni Hamburg. „Dadurch kann die zuvor insta­bile homo­gene Phase wieder auf­steigen und das Supra­fluid ent­steht. Es ist licht­indu­zierte Supra­flui­dität.“ Und Hemme­rich ergänzt: „Man könnte erwarten, dass sich das System ein­fach nur erwärmt, wenn wir es schütteln. Es war faszi­nie­rend, eine deut­liche Signa­tur des Supra­fluids zu beob­achten.“

Das Prinzip, durch gezielten Einsatz von Licht eine Phase zu ver­stärken oder zu unter­drücken, wurde bereits in vielen Bereichen der Physik ange­wandt, etwa bei Supra­leitern. „Wir haben diese Art der Lich­tsteue­rung der Supra­flui­dität vor­ge­schlagen, um das Prinzip zu demon­strieren, das für die licht­indu­zierte Supra­leitung ange­nommen wird“, erklärt Mathey. Mit diesem Befund wird ein neues Kapitel der Fest­körper­physik eröffnet, in dem Wissen­schaftler nicht nur Gleich­gewichts­eigen­schaften von Materie messen, sondern über Licht­steue­rung einen Zustand mit gewünschten Eigen­schaften erzeugen können.

UHH / RK

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