Supersolid bei Raumtemperatur aus Licht und Materie erzeugt
Physiker verbinden Kristallstruktur mit reibungsfreiem Flüssigkeitsfluss in einem optischen Mikroresonator – ohne extreme Kühlung.
Physiker aus Polen, der Schweiz und Frankreich haben ein Quanten-Supersolid bei Raumtemperatur beobachtet, und zwar mit hybriden Teilchen aus Licht und Materie in einem optischen Mikroresonator. Die wissenschaftliche Innovation, die Forscher der Universität Warschau in Science Advances beschreiben, macht die Kühlung nahe dem absoluten Nullpunkt überflüssig, die für die Untersuchung dieses hybriden Materiezustands bisher nötig war.
Kristallordnung vereint mit reibungsfreiem Fluss
In der klassischen Physik nimmt Materie klar getrennte Formen an: Festkörper behalten ihre kristalline Ordnung, Flüssigkeiten fließen. Die Quantenmechanik erlaubt Ausnahmen wie die Suprafluidität, bei der eine Flüssigkeit ohne Reibung oder Viskosität durch enge Öffnungen strömt. Ein Supersolid verbindet diese reibungsfreie Bewegung mit dem regelmäßigen räumlichen Gitter eines Kristalls. Theoretische Physiker schlugen diesen Doppelzustand bereits in den 1960er-Jahren vor, doch bestätigt wurde er im Labor erst 2017 mit ultrakalten atomaren Bose-Einstein-Kondensaten, wie ein Bericht von ScienceDaily zeigt. Diese früheren Aufbauten benötigten aufwendige Kältetechnik, um Atome auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu bringen, was eine große Hürde für die praktische Innovation darstellte.
„Unsere Flüssigkristall-Mikroresonatoren können sogar bei Temperaturen von nahezu 60 °C arbeiten“
— Professor Wiktor Piecek, Militärische Universität für Technologie
Exziton-Polaritonen im Mikroresonator eingefangen
Um kryogene Aufbauten zu vermeiden, wandte sich das internationale TopoLight-Konsortium den Exziton-Polaritonen zu, hybriden Quasiteilchen, die entstehen, wenn Photonen in einer winzigen optischen Kammer stark mit Materie wechselwirken. Diese Polaritonen existieren normalerweise nur wenige Pikosekunden, also Billionstel Sekunden, doch kondensieren sie dennoch zu einer koordinierten Quanten-Supraflüssigkeit. Das Team, zu dem Forscher der Physikalischen Fakultät der Universität Warschau, der Militärischen Universität für Technologie in Polen, von IBM Research Zurich und des französischen nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS) gehörten, testete einen experimentellen Prototyp eines Mikroresonators, der mit einem maßgeschneiderten Flüssigkristall gefüllt und mit einer organischen Halbleiterschicht bedeckt war.
Betrieb bis 60 Grad Celsius
Der Versuchsaufbau erwies sich weit über dem Gefrierpunkt als stabil. „Unsere Flüssigkristall-Mikroresonatoren können sogar bei Temperaturen von nahezu 60 °C arbeiten“, erklärte Professor Wiktor Piecek von der Militärischen Universität für Technologie, dessen Gruppe die Flüssigkristallkomponenten entwickelte, zu den von ScienceDaily berichteten Ergebnissen. Bei 60 Grad Celsius (etwa 140 Grad Fahrenheit) kommt das System ohne die sperrige Kühltechnik aus, die exotische Quantenexperimente bisher auf spezialisierte Tieftemperatureinrichtungen beschränkte.
Lichtstreifen bestätigen den Doppelzustand
Bestätigt wurde das Supersolid durch die Muster des vom Sample abgestrahlten Lichts. Das Kondensat bildete spontan regelmäßig angeordnete helle Streifen, die für eine periodische Dichtemodulation typisch sind, wie sie ein Festkristall aufweist. Die hellen Streifen verschoben sich mit jedem neuen Laserpuls, was belegte, dass die Anordnung kein statischer, fest verankerter Defekt war. Diese optische Erfindung zeigt, wie sich hybride Quantenzustände unter Umgebungsbedingungen stabilisieren lassen, was die Entwicklung optischer Rechengeräte und empfindlicher Detektoren unterstützen und neuen Patentanmeldungen in der Quantenphotonik den Weg ebnen könnte.
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