19.04.2023

Quantenflüssigkeit wird beim Erwärmen fest

Erstes Phasendiagramm für einen Suprafestkörper bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt.

Supra­festkörper sind ein relativ neues und aufregendes Forschungs­gebiet. Sie zeigen gleichzeitig sowohl feste als auch supra­flüssige Eigenschaften. 2019 konnten drei Forschungs­gruppen diesen Zustand erstmals zweifelsfrei in ultrakalten Quantengasen nachweisen, unter ihnen die Forschungs­gruppe um Francesca Ferlaino vom Institut für Experimental­physik der Universität Innsbruck und dem ÖAW-Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Innsbruck.

Abb.: Wird eine Quanten­flüssigkeit erwärmt, können kristalline Strukturen...
Abb.: Wird eine Quanten­flüssigkeit erwärmt, können kristalline Strukturen entstehen. (Bild: Aarhus U.)

Im Jahr 2021 untersuchte das Team um Francesca Ferlaino detailliert den Lebenszyklus von supra­festen Zuständen in einem dipolaren Gas von Dysprosium-Atomen. Sie machten eine unerwartete Beobachtung: „Unsere Daten legten nahe, dass ein Temperatur­anstieg die Entstehung von suprafesten Strukturen fördert“, erzählt Claudia Politi aus dem Team von Francesca Ferlaino. „Dieses überraschende Verhalten war ein wichtiger Anstoß für die Theorie, die den thermischen Fluk­tuationen in diesem Zusammenhang bisher kaum Augenmerk schenkte.“

Die Innsbrucker Wissen­schaftler haben nun mit der dänischen Theoriegruppe um Thomas Pohl zusammen­gearbeitet, um den Effekt der thermischen Fluktuationen zu untersuchen. Sie entwickelten ein theo­retisches Modell, dass die experimentellen Ergebnisse erklären kann und die These unterstreicht, dass ein Erwärmen der Quanten­flüssigkeit zur Ausbildung eines Quanten­kristalls führen kann. Die theoretische Beschreibung zeigt, dass sich diese Strukturen mit steigender Temperatur leichter bilden können.

„Mit der neuen Beschreibung verfügen wir erstmals über ein Phasen­diagramm, das die Entstehung suprafester Zustände in Abhängigkeit von der Temperatur zeigt“, freut sich Francesca Ferlaino. „Das überraschende, unserer Alltags­wahrnehmung wider­sprechende Verhalten ergibt sich aus der anisotropen Natur der Dipol-Dipol-Wechsel­wirkung der stark magnetischen Dysprosium­atome.“ Die Forschungen sind ein wichtiger Schritt zu einem besseren Verständnis des suprafesten Materie­zustands.

U. Innsbruck / JOL

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