Europäische Forschende beobachten einen Supersolid-Zustand bei Raumtemperatur in Licht-Materie-Hybriden

Licht und Materie erzeugen eine Quantenphase mit zweifacher Ordnung

Physiker postulierten erstmals in den 1960er-Jahren, dass ein Superfluid – eine reibungsfreie Flüssigkeit mit verschwindender Viskosität – innerhalb einer Kristallstruktur entstehen könnte. Diese Doppelphase, bekannt als Supersolid, wurde 2017 in ultrakalten atomaren Bose-Einstein-Kondensaten experimentell bestätigt. Wie in aktuellen Patentnachrichten hervorgehoben und von Interesting Engineering berichtet, hat nun ein gemeinsames Team der Universität Warschau, der Military University of Technology in Polen, des französischen Centre national de la recherche scientifique (CNRS) und von IBM Research Zurich diesen Zustand bei Umgebungstemperaturen erzeugt.

Die Forschenden nutzten die starke Kopplung zwischen Licht und Materie in einer optischen Mikrokavität, um Exciton-Polaritonen zu erzeugen, hybride Quasiteilchen. Obwohl diese Quasiteilchen nur wenige Pikosekunden überleben, ermöglicht dieses kurze Zeitfenster die Bildung eines Bose-Einstein-Kondensats, das als Quantensuperfluid wirkt.

„Dies ist ein Lehrbuchbeispiel für spontane Symmetriebrechung. Die Theorie sagte voraus, dass der Supersolid unter mehreren äquivalenten Zuständen wählen könnte, und genau das haben wir beobachtet.“

— Guillaume Malpuech, Professor am Institut Pascal (CNRS)

Spontane Symmetriebrechung unter Laseranregung

Für den Aufbau füllten die Forschenden eine optische Mikrokavität mit einem eigens angefertigten Flüssigkristall und beschichteten sie mit einer organischen Halbleiterschicht. Durch diese ingenióse Erfindung emittiert das Superfluid beim Übergang in einen Supersolid Licht mit regelmäßig angeordneten hellen Streifen. Jeder auf die Versuchsprobe gerichtete Laserpuls erzeugte helle Streifen an wechselnden Positionen, was den Übergang bestätigte.

Das Team registrierte gleichzeitig zwei unterschiedliche Formen räumlicher Ordnung, sichtbar in der Polarisation und in der Lichtintensität. Guillaume Malpuech, Professor am Institut Pascal (CNRS), beschrieb die Streifenvariation als Lehrbuchfall der spontanen Symmetriebrechung und merkte an, die Theorie habe vorhergesagt, dass der Supersolid unter mehreren äquivalenten Zuständen wählen könne.

Betriebsgrenzen und elektrische Abstimmbarkeit bis 60 °C

Die Herstellung und Erprobung des Systems war mit strengen physikalischen Einschränkungen verbunden, da der organische Halbleiter chemisch mit dem Flüssigkristall reagierte. Techniker von IBM Research Zurich brachten dünne organische Halbleiterfilme auf photonischen Strukturen auf, die von der Military University of Technology gefertigt wurden; alle Messungen mussten daher innerhalb weniger Stunden nach dem Zusammenbau des Bauelements abgeschlossen sein.

Anders als herkömmliche Aufbauten, die Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt verlangen, bleiben die photonischen Strukturen in alltäglicher Wärme funktionsfähig. Wiktor Piecek, Professor an der Military University of Technology, erklärte, die Mikrokavitäten des Teams funktionierten sogar bei Temperaturen von annähernd 60 °C. Weil das Bauelement auf eine externe elektrische Spannung reagiert, bietet diese wissenschaftliche Innovation eine Plattform zur Steuerung von Quantenphasen in künftiger photonischer Quantenhardware – ein Fortschritt, der laut den in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlichten Ergebnissen für eine künftige Patentanmeldung bereitsteht.

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