Physiker beobachten Superfestkörper-Zustand von Licht und Materie bei Raumtemperatur
Eine von europäischen Forschern gebaute optische Mikrokavität vereint superfluides Fließen und Kristallordnung ohne Tiefkühlung
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Physiker der Universität Warschau, von IBM Research Zurich und von Partnerinstitutionen haben bei Raumtemperatur einen Superfestkörper-Zustand der Materie beobachtet. Die in Science Advances veröffentlichte wissenschaftliche Entdeckung kommt ohne die Kryotechnik aus, die bisher für die Untersuchung dieses doppelten Quantenzustands nötig war.
Kristallordnung und verschwindende Viskosität in einer optischen Kavität
Physiker der Physikalischen Fakultät der Universität Warschau, der Military University of Technology in Polen, von IBM Research Zurich und des französischen CNRS haben in einem Exziton-Polariton-Bose-Einstein-Kondensat einen Superfestkörper erzeugt, wie Phys.org berichtet. Theoretiker sagten Superfestkörper bereits in den 1960er-Jahren voraus, experimentell bestätigt wurden sie erstmals 2017 mit ultrakalten Atomen. Der Zustand verbindet reibungsfreies superfluides Fließen mit dem periodischen räumlichen Muster eines Kristalls. Statt Atomwolken nahe dem absoluten Nullpunkt abzukühlen, schloss das Forschungskonsortium TopoLight hybride Quasiteilchen aus Licht und Materie in eine Mikrokavität ein und nutzte die Licht-Materie-Kopplung, um den Quantenzustand unter normalen Umgebungsbedingungen aufrechtzuerhalten – eine wissenschaftliche Innovation an der Schnittstelle von Grundlagenphysik und praktischen Bauteilen.
„Unsere Flüssigkristall-Mikrokavitäten können sogar bei Temperaturen von nahezu 60 °C betrieben werden.“
Prof. Wiktor Piecek, Military University of Technology
„Das ist ein Lehrbuchbeispiel für spontane Symmetriebrechung. Die Theorie sagte voraus, dass der Superfestkörper unter mehreren äquivalenten Zuständen wählen kann, und genau das haben wir beobachtet.“
Prof. Guillaume Malpuech, Institut Pascal (CNRS)
Flüssigkristalle und organische Halbleiter halten 60 Grad stand
Die experimentelle Vorrichtung nutzt eine optische Mikrokavität, die mit einem Flüssigkristall gefüllt und mit einer dünnen Schicht des organischen Halbleiters MeLPPP beschichtet ist, kurz für methylsubstituiertes leiterartiges Poly(paraphenylen). Laut Professor Wiktor Piecek von der Military University of Technology, dessen Gruppe die Flüssigkristallstrukturen entwickelte, können diese Anordnungen bei Temperaturen von nahezu 60 °C betrieben werden. Exziton-Polaritonen in der Kavität bestehen nur wenige Pikosekunden. Diese kurze Lebensdauer gibt den hybriden Teilchen genug Zeit, zu kondensieren und sich als reibungsfreies Quantensuperfluid zu verhalten – ohne aufwendige Kühlaggregate.
Streifen, Spin-Helices und spontane Symmetriebrechung
Als die Forscher die Probe mit Laserpulsen anregten, ordnete sich das emittierte Licht zu regelmäßig beabstandeten hellen Streifen. Diese Streifen dienten als optischer Beweis dafür, dass das Kondensat eine periodische Dichtemodulation entsprechend einem Kristallgitter ausbildete. Die Streifen verschoben sich zudem mit jedem weiteren Puls. Professor Guillaume Malpuech vom Institut Pascal am CNRS merkte an, dass das Quantensystem spontan eine von mehreren äquivalenten Konfigurationen wählte, was spontane Symmetriebrechung zeigt. Zugleich bildete das Kondensat eine persistente Spin-Helix und erzeugte damit neben dem räumlichen Intensitätsmuster eine periodische Modulation der Lichtpolarisation.
Herstellungsgrenzen und Perspektiven für optische Hardware
Die experimentellen Materialien zersetzten sich schnell. Dr. Marcin Muszyński, Erstautor der Studie und Postdoktorand am City College of New York, erklärte, dass der organische Halbleiter mit der Zeit chemisch mit dem Flüssigkristall reagierte, sodass den Forschern nach dem Zusammenbau nur wenige Stunden für die Messungen blieben, bevor ein Ersatz gebaut werden musste. Dünne MeLPPP-Schichten, die bei IBM Research Zurich abgeschieden wurden, erlaubten es der Gruppe, die nötigen Daten vor dem einsetzenden Zerfall aufzuzeichnen. Der Nachweis von Supersolidität ohne Flüssighelium-Kühlung bietet eine praktische Grundlage für den Technologietransfer bei ultraschnellen optischen Bauteilen, photonischen Schaltkreisen bei Raumtemperatur und neuromorphen Rechenarchitekturen für die künstliche Intelligenz – und damit ein vielversprechendes Fundament für künftige Patentanmeldungen.
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