Zerstörte Ordnung von Quantenmaterie Licht erzeugt reibungsloses Suprafluid

Wird Wasser während des Gefriervorgangs gerührt, entsteht ein Gemisch aus fester und flüssiger Phase, wie es von Slushy-Eis bekannt ist. Auch in der Welt der Quantenmechanik gibt es Phasen und Übergänge dazwischen. Forscher der Universität Hamburg konnten nun mithilfe gepulster Laser gezielt den speziellen Zustand der Suprafluidität in Quantenmaterie erzeugen.

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Hamburg – Wenn man Wasser in einen Gefrierschrank stellt, kristallisieren die Wassermoleküle und bilden Eis. Diese Änderung von einer Phase der Materie in eine andere wird als Phasenübergang bezeichnet. Manchmal möchte man diesen Vorgang kontrolliert beeinflussen, um zum Beispiel Slushy-Eis herzustellen – ein Gemisch aus einer festen und einer flüssigen Phase.

Bei Quantenmaterie sind Phasenübergänge komplizierter. Quantenmaterie sind Stoffe, in denen das quantenmechanische Verhalten der Bestandteile überwiegt, zum Beispiel der Wellencharakter der Elektronenbewegung. Auch die Aggregatzustände sind besonders: Unter bestimmten Einflüssen bildet sich ein so genanntes Suprafluid, bei dem jede innere Reibung verloren geht und dafür eine hohe Wärmeleitfähigkeit vorhanden ist.

Wie Kristalle in der Slushy-Eismaschine

Bisher war die Entstehung von Suprafluid nicht extern steuerbar, doch einem Team um Prof. Dr. Ludwig Mathey und Prof. Dr. Andreas Hemmerich von der Universität Hamburg ist es nun gelungen, die kristalline Ordnung erfolgreich zu stören. Während bei einer Slushy-Eismaschine rotierende Klingen dafür sorgen, dass die Wassermoleküle nicht kristallisieren und ein fester Eisblock entsteht, haben die Physiker Licht eingesetzt, um zu verhindern, dass die Kristalle im Quantensystem die für sie typische Ordnung einnehmen.

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. Diese Art von periodischen Änderungen beschreiben Physiker mit dem Begriff „Drive“.

Mit etwas „Drive“ zum Suprafluid

Ähnlich wie Wasser seine Phase von Flüssigkeit zu Eis ändern kann, zeigt dieses Licht-Materie-System einen Phasenübergang, in diesem Falle einen Quantenübergang. Wenn die Intensität des Strahls stark genug ist, organisieren sich die ungeordneten Atome aus der Gasphase normalerweise spontan in einem kristallinen Schachbrettmuster. Diese durch Selbstorganisation entstehende kristalline Ordnung unterdrückt die Entstehung eines Suprafluids. Die Forscher konnten allerdings zeigen, dass man mit etwas „Drive“ – also 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 Hauptautor Jayson Cosme von der Laserphysik der Universität Hamburg. „Dadurch kann die zuvor instabile homogene Phase wieder aufsteigen und das Suprafluid entsteht. Es ist lichtinduzierte Suprafluidität.“ Durch das Aufbrechen der kristallinen Ordnung haben die Forscher also gezielt den Zustand der Quantenmaterie verändert. Dieses Resultat war auch für die Forscher besonders, wie Ko-Autor 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.“

Ein neues Kapitel der Festkörperphsyik

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 nach Aussage der Wissenschaftler ein neues Kapitel der Festkörperphysik eröffnet, in dem Forscher nicht nur Gleichgewichtseigenschaften von Materie messen, sondern über Lichtsteuerung einen Zustand mit gewünschten Eigenschaften erzeugen können.

Originalpublikation: J. G. Cosme, C. Georges, A. Hemmerich, and L. Mathey: Dynamical Control of Order in a Cavity-BEC System, Phys. Rev. Lett. 121, 153001 (2018); DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.153001

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