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H2020

DipInQuantum — Ergebnis in Kürze

Project ID: 703419
Gefördert unter: H2020-EU.1.3.2.
Land: Deutschland
Bereich: Grundlagenforschung

Beobachten, wie sich Gas in einen Suprafeststoff verwandelt

Wenn Materie bis nahe an den absoluten Nullpunkt abkühlt, entstehen beeindruckende Phänomene. Im Rahmen eines internationalen Novums erzeugten EU-finanzierte Forscher erfolgreich eine „Quantenflüssigkeit“ aus extrem kalten Atomen, die eine 100 Millionen Mal geringere Dichte als normale Flüssigkeiten aufweist.
Beobachten, wie sich Gas in einen Suprafeststoff verwandelt
Durch Herabkühlen eines supraflüssigen Gases, das als Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet wird, konnten Forscher des EU-finanzierten Projekts DipInQuantum das Kondensat erfolgreich in eine Materie-Quantenphase überführen, die eine kristallähnliche Struktur aufweist, und die wie eine Flüssigkeit fließen kann, aber ohne innere Reibung.

Selbstbindende Tropfen

Auch wenn sich ultrakalte Atome üblicherweise in einer Gasphase befinden, legen neue wissenschaftliche Beweise überraschenderweise nahe, dass kondensierte Atome unter speziellen Bedienungen „selbstbindende“ flüssige Tropfen bilden können. „Die Wechselwirkungen zwischen den magnetischen Dipolen von Lanthanid-Atomen in ultrakaltem Gas können zur Bildung eines ,selbstbindenden‘ flüssigen Tropfens führen. Hierdurch bietet sich ein nützliches isoliertes System für die Sondierung der quantenmechanischen Eigenschaften ultrakalter Gase“, meint Dr. Tilman Pfau, der Leiter des Projekts DipInQuantum.

Den Ursprung dieser neuen Phase bildet die Koexistenz von Abstoßungs- und Anziehungskräften, die sich in einem idealen Gleichgewicht befinden, damit dieses selbstbindende System entstehen kann. Selbstorganisation ist ein wesentliches Merkmal von Vielteilchensystemen, in denen Ordnung spontan aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Partikeln entsteht. „In unserem Fall hängt die Stabilität dieser selbstbindenden Tropfen von einem feinen Gleichgewicht von drei Wechselwirkungen ab. Die Kontaktkräfte und Quantenfluktuationen bestimmen die Abstoßungskomponente der Wechselwirkungen, während die dipolaren Kräfte die Anziehungskomponente ausmachen“, meint Dr. Pfau.

Jüngste Erkenntnisse legen nahe, dass selbstbindende Ensembles ultrakalter Atome bei Atomzahldichten existieren können, die 100 Millionen Mal niedriger sind, als in einem Helium-Tropfen, der aus dichter Quantenflüssigkeit gebildet wird. Der experimentelle Nachweis solcher Ensembles ist jedoch bis dato nicht möglich gewesen, da hierzu Kräfte erforderlich sind, die über die gewöhnliche Nullstelle-Kontaktwechselwirkung mit entweder Anziehungs- oder Abstoßungskräften, jedoch niemals beiden Kräften, hinausgehen. Diese Tropfen sind das verdünnte Pendant stark korrelierter selbstbindender Systeme wie z. B. Atomkernen und Helium-Tropfen.

Quantengas, Flüssigkeit und Kristall in einem

Das Projektteam kühlte ein aus Dysprosium-Atomen bestehendes Gas nahe an den absoluten Nullpunkt ab. Diese Atome können als winzige Magneten betrachtet werden, wobei Dysprosium das magnetischste Element darstellt. Für ihre Untersuchungen erstellten die Forscher ein supraflüssiges Gas mit 3 000 Dysprosium-Atomen und brachten diese mit einem hohen Magnetfeld zum Schweben. Infolgedessen wurden regelmäßige Muster beobachtet, die aus mikroskopischen Tropfen bestehen. Während des magnetischen Schwebens verloren die Tropfen zunächst Atome und sobald sie eine kritische Atomzahl erreicht hatten, verdampften sie zu Gas.

„Wir entdeckten einen neuen Materiezustand, der die scheinbar gegensätzlichen Merkmale von Gas, Kristall und Supraflüssigkeit aufweist“, meint Dr. Pfau. Forscher glauben, dass Quantenfluktuationen für die Tropfenexistenz eine wichtige Rolle spielen. Unter Berücksichtigung der heisenbergschen Unschärferelation können die Atome, die den Tropfen bilden, in dem Tropfen nicht vollständig ruhen, sondern bleiben stattdessen in ständiger Bewegung. Wenn diese Atome auf ein geringes Volumen beschränkt sind, entsteht Quantendruck. Hierdurch wird der Tropfen instabil und die Atome verdampfen in ein sich ausdehnendes Gas. „Die Kombination von Quantengas, Flüssigkeit und Kristall in einem einzigen Materiezustand könnte der Weg für echte Suprafeststoffe sein, ein räumlich angeordnetes Material mit Eigenschaften einer Supraflüssigkeit“, merkt Dr. Pfau an.

Dysprosium-Atome mit einem stärkeren Dipolmoment haben Hoffnungen auf die Durchführung bahnbrechender Experimente auf dem Quantengebiet geweckt. Als außergewöhnliche Magnete sind sie für die Untersuchung von Quantenflüssigkeitstropfen eine große Hilfe.

Bislang sind Suprafeststoffe – die gleichzeitig in einem supraflüssigen und festen Zustand sind – ein theoretisch vorhergesagter Materiezustand gewesen. Durch Verwendung einer legitimen Methode, welche auf das Bose-Einstein-Kondensat zurückgreift, hat DipInQuantum erfolgreich den Weg für weitere Untersuchungen dieses sonderbaren Materiezustands geebnet.

Schlüsselwörter

DipInQuantum, Tropfen, Gas, selbstbindend, Supraflüssigkeit, Suprafefststoff, Quantengas, Quantenflüssigkeit, ultrakaltes Atom, Bose-Einstein-Kondensat
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