29.06.2018

Supraleiter im Higgs-Modus

Kaltes Gas in exotischem Quantenzustand kann Eigenschaften des Higgs-Bosons simulieren.

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, ein supra­leitendes Gas in einen exotischen Zustand zu versetzen. Ihre Experimente erlauben neue Einblicke in die Eigenschaften des Higgs-Teilchens, aber auch in grund­legende Merkmale von Supraleitern. Die Wissenschaftler der Universität Bonn nutzten für ihre Experimente ein Gas aus Lithium-Atomen, dass sie sehr stark abkühlten. Bei einer bestimmten Temperatur ändert sich schlag­artig der Zustand des Gases: Es wird zu einem Supra­leiter, der Strom ohne jeden Wider­stand leitet.

Abb.: Flugzeit-Aufnahme des Kondensats ohne thermischen Hintergrund (Bild: A. Behrle et al., NPG)

Das Lithium-Gas geht bei seinem Phasen­übergang in einen geordneteren Zustand über. Dabei entstehen unter anderem Cooper-Paare – Zusammen­schlüsse von zwei Atomen, die sich nach außen hin wie ein einziges Teilchen verhalten. Diese Paare verhalten sich fundamental anders als einzelne Atome: Sie bewegen sich gemeinsam und können dies tun, ohne an anderen Atomen oder Paaren zu streuen. Das ist der Grund für die Supra­leit­fähigkeit. Was passiert aber nun, wenn man die Paare anzuregen versucht?

„Wir haben das Gas mit Mikrowellen­strahlung beleuchtet“, erklärt Michael Köhl vom physikalischen Institut der Universität Bonn. „Dadurch konnten wir einen Zustand erzeugen, in dem die Paare in Schwingungen versetzt werden und damit die Qualität der Supra­leitung sehr schnell oszillierte: In einem Moment war das Gas ein guter Supra­leiter, im nächsten dagegen ein schlechter.“

Diese gemeinsame Oszillation der Cooper-Paare entspricht dem Higgs-Boson, das im Jahr 2013 am Beschleuniger CERN entdeckt wurde. Dieser Zustand ist sehr instabil; daher ist es erst einer Handvoll Arbeits­gruppen weltweit gelungen, ihn zu erzeugen. Die Physiker hoffen beispielsweise, durch Studien wie diese mittelfristig den Zerfall des äußerst kurzlebigen Higgs-Bosons besser verstehen zu können.

Interessant sind die Versuche aber auch noch aus einem anderen Grund: Sie weisen einen Weg, über den man die Widerstands­freiheit von Supra­leitern sehr schnell an- und wieder abschalten kann. Diese versuchen normalerweise, möglichst lange in ihrem leit­fähigen Zustand zu verbleiben. Durch Erwärmung lassen sie sich zwar davon abbringen; dieses Vorgehen ist aber sehr langsam. Die Experimente zeigen, dass es prinzipiell auch um den Faktor tausend und mehr schneller geht. Dadurch eröffnen sich eventuell völlig neue Anwendungs­möglichkeiten für Supraleiter.

Der Erfolg der Bonner Wissenschaftler basiert auch auf einer gelungenen Kooperation von Theorie und Experiment: „Wir haben die Phänomene theoretisch vorhergesagt“, erklärt Corinna Kollath vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kern­physik der Universität Bonn. „Bei den Experimenten am physikalischen Institut wussten Professor Köhl und seine Mitarbeiter also genau, wonach sie suchen mussten.“

U. Bonn / DE

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