Illustration des 2D-Supersolids. (IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch) In einer bedeutenden Leistung ist es Physikern erstmals im Labor gelungen, einen zweidimensionalen Superfestkörper herzustellen.
Das mag unglaublich kompliziert klingen, aber es ist eine Leistung, auf die Forscher hingearbeitet haben seit mehr als 50 Jahren . Supersolide sind seltsame Materialien mit Atomen, die in der geordneten Struktur eines Festkörpers angeordnet sind, aber dennoch ohne Reibung fließen können, genau wie eine Supraflüssigkeit.
Vor zwei Jahren, Physikern gelang es, Supersolide zu erschaffen unter Verwendung ultrakalter magnetischer Atome … aber nur in einer Dimension. Nun ist es einem Team österreichischer Forscher erstmals gelungen, die kristallähnliche Struktur in 2D zu erzeugen; Das Ergebnis wird es Physikern ermöglichen, einige der seltsamsten materialwissenschaftlichen Phänomene zu testen und damit zu experimentieren.
„Um sich einen Superfeststoff vorzustellen, stellen Sie sich einen Eiswürfel vor, der in flüssiges Wasser getaucht ist und bei dem das Wasser reibungslos durch den Würfel fließt“, schreibt der Physiker Bruno Laburthe-Tolra vom Laser Physics Laboratory in Paris. in einem News & Views-Artikel zusammen mit dem neuen Artikel veröffentlicht in Natur Heute.
Diese seltsame Dualität führt dazu, dass Superfestkörper als Quantenmechanik bezeichnet werden Aggregatszustand .
Das liegt daran, wie bei anderen Quantenphänomenen (denken Sie Verstrickung oder Schrödingers Katze ) sind die Teilchen in einem superfesten Zustand sowohl in einer starren Festkörperstruktur eingeschlossen, aber gleichzeitig auch delokalisiert, was es ihnen ermöglicht, sich wie eine Welle zu verhalten und frei und ohne Reibung durch den Festkörper zu fließen.
Supersolidität war erstmals 1969 vorhergesagt , und wird seit langem in superflüssigem Helium untersucht, das als der beste Kandidat für die Suche nach Beweisen für eine feste, kristallartige Struktur mit den Eigenschaften einer Supraflüssigkeit galt. Trotz jahrzehntelanger Forschung bleibt die Supersolidität in Helium jedoch weiterhin unklar.
In jüngerer Zeit haben Forscher ihren Fokus auf ultrakalte Quantengase gerichtet – Wolken aus stark magnetischen Atomen, die auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt sind. Die Tatsache, dass diese Atome magnetisiert sind, bedeutet, dass sie auf einzigartige Weise interagieren, was zu diesem seltsamen quantenmechanischen Zustand der Supersolidität führen kann.
„Normalerweise würde man denken, dass sich jedes Atom in einem bestimmten Tröpfchen befindet und es keine Möglichkeit gibt, dazwischen zu gelangen.“ sagt der an dem neuen Durchbruch beteiligte Physiker Matthew Norcia von der Universität Innsbruck in Österreich.
„Im superfesten Zustand ist jedoch jedes Teilchen über alle Tröpfchen verteilt und existiert gleichzeitig in jedem Tröpfchen.“ Im Grunde haben wir also ein System mit einer Reihe hochdichter Regionen (den Tröpfchen), die alle die gleichen delokalisierten Atome haben.“
Während das österreichische Team unter der Leitung der Quantenphysikerin Francesca Ferlaino von der Universität Innsbruck und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften war einer von mehreren um eine Tröpfchenkette entlang einer Dimension zu erzeugen zeigte Supersolidität zurück im Jahr 2019 mussten sie ihr magnetisches Modell optimieren, um eine 2D-Version mit zwei oder mehr Tröpfchenreihen zu erstellen.
Diese neueste Errungenschaft eröffnet die Möglichkeit, Phänomene mit diesen seltsamen Gaswolken zu untersuchen.
„In einem zweidimensionalen superfesten System kann man beispielsweise untersuchen, wie sich Wirbel im Loch zwischen mehreren benachbarten Tröpfchen bilden.“ sagt Norcia .
„Diese theoretisch beschriebenen Wirbel wurden noch nicht nachgewiesen, stellen aber eine wichtige Konsequenz der Superfluidität dar.“
Es gibt noch viel über dieses seltsame superfeste Quantengas zu lernen; Beispielsweise sind sich die Forscher nicht sicher, ob sie einen größeren Superfeststoff herstellen könnten, da der Zustand der Materie unglaublich empfindlich auf die von ihnen geschaffene magnetische Falle reagiert.
Aber für den Moment ist die Tatsache, dass es dem Team gelungen ist, den ersten zweidimensionalen Supersolid zu erschaffen, eine große Leistung für sich, die unweigerlich zu einem besseren Verständnis dieses seltsamen Zustands der Materie und der unsichtbaren Quantenkräfte führen wird, die unsere Realität beherrschen.
Die Forschung war veröffentlicht in Natur .