Oszillationen in Supra-Flüssigkeiten

Es gibt Dinge, die eigentlich nicht passieren sollten. So kann etwa Wasser nicht durch die Glaswand von einem Glas in ein anderes fließen. Erstaunlicher­weise erlaubt die Quanten­mechanik dies jedoch, vorausgesetzt, die Barriere zwischen den zwei Flüssigkeiten ist dünn genug. Durch den quanten­mechanischen Tunnel­effekt können Teilchen die Barriere durchdringen, selbst wenn die Barriere höher als der Pegel der Flüssig­keiten ist. Noch bemerkenswerter ist, dass dieser Teilchenstrom sogar fließen kann, wenn der Pegel auf beiden Seiten gleich hoch ist oder der Strom gering­fügig bergauf fließen muss. Dazu müssen die Flüssig­keiten auf beiden Seiten allerdings Supra­fluide sein: Sie müssen reibungs­frei um Hindernisse herum fließen können.

Voraus­gesagt wurde dieses frappierende Phänomen von dem britischen Physiker Brian Josephson noch während seiner Doktorarbeit 1962. Es ist von so funda­mentaler Bedeutung, dass er dafür 1973 den Nobelpreis erhielt. Getrieben wird der Strom nur durch die Wellennatur der Supra­fluide. Er kann unter anderem dafür sorgen, dass das Suprafluid anfängt, zwischen beiden Seiten hin und her zu oszillieren – die Josephson-Oszil­lationen. Der Josephson-Effekt wurde 1962 auch erstmals zwischen zwei Supra­leitern beobachtet. In dem Experiment konnte – in direkter Analogie zum Wasserfluss ohne Pegel­unterschied – ein elektrischer Strom ohne Spannungs­differenz durch einen Tunnelkontakt fließen. Mit dieser Entdeckung wurde der eindrucks­volle Nachweis erbracht, dass die Wellennatur der Materie in Supra­leitern selbst in größeren, mit dem Auge sichtbaren Objekten, zu beobachten ist.

Nun ist es den Wissen­schaftlern in der Gruppe von Henning Moritz an der Universität Hamburg erstmals gelungen, Josephson-Oszilla­tionen in einem zwei­dimensionalen Fermigas zu beobachten. Diese Fermigase bestehen aus einer Gaswolke von nur wenigen tausend Atomen. Wenn sie bis auf einige Millionstel Grad über dem absoluten Temperatur­nullpunkt gekühlt werden, werden sie supra­fluide. Mit ihnen kann man nun Suprafluide untersuchen, in denen die Teilchen stark miteinander wechselwirken und sich nur in zwei Dimensionen bewegen können – eine Kombi­nation, die zentral für die bislang nur unvollständig verstandene Hochtemperatur­supraleitung zu sein scheint.

„Wir waren erstaunt, wie klar die Josephson-Oszilla­tionen in unserem Experiment zu sehen waren. Das ist ein eindeutiger Nachweis für die Phasen­kohärenz in unserem ultrakalten 2D-Fermigas, also der Tatsache, dass die Wellen auf beiden Seiten der Barriere synchron schwingen", sagt Niclas Luick vom Institut für Laser­physik. „Der hohe Grad an Kontrolle über unser System hat es uns außerdem ermöglicht, die kritische Strom­stärke zu vermessen, oberhalb derer die Suprafluidität zusammenbricht.“ „Dieser Durchbruch eröffnet uns viele neue Möglich­keiten, Einblicke in die Natur stark korrelierter 2D-Supra­fluide zu gewinnen", sagt Henning Moritz. „Diese Systeme sind von herausragender Bedeutung in der modernen Physik, aber nur sehr schwer theoretisch zu simulieren. Wir freuen uns, mit unserem Experiment dazu beizu­tragen, diese Quanten­systeme besser zu verstehen."

U. Hamburg / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  N. Luick et al.: An ideal Josephson junction in an ultracold two-dimensional Fermi gas, Science 369, 89 (2020), DOI: 10.1126/science.aaz2342
• Institut für Laserphysik (H. Moritz), Universität Hamburg