Neben den bekannten Grundzuständen der Materie – fest, flüssig, gasförmig und Plasma – treten im Labor viele exotische Zustände auf. Einer davon, bekannt als „Superharter Körper“, wurde erst vor wenigen Jahren bestätigt und nun von Forschern der Universität Innsbruck in einer neuen zweidimensionalen Form geschaffen.
Ein superharter Körper ist nicht ganz das, was er auf den ersten Blick erscheinen mag. Seine Atome befinden sich im Wesentlichen in einer starren kristallinen Struktur, wie in einem normalen Festkörper, können aber auch wie eine suprafluide Flüssigkeit ohne Viskosität fließen. Es klingt paradox, aber Wissenschaftler halten es seit den 1960er Jahren theoretisch für möglich – und 2017 wurde es schließlich experimentell bestätigt.
Mehrere Forschergruppen haben superharte Körper mit einem anderen Aggregatzustand namens Bose-Einstein-Kondensat (BEC) geschaffen. Das Kondensat besteht aus einer Gaswolke geringer Dichte von Atomen, die fast auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt ist und an diesem Punkt seltsame Quanten-Macken aufweist, die normalerweise auf so großen Skalen nicht zu sehen sind. Alle Atome im BEC existieren gleichzeitig an jedem Punkt der Wolke - ein Phänomen, das als Delokalisierung bezeichnet wird.
In früheren Experimenten wurden superharte Körper eindimensional erzeugt, sodass Atome nur in eine Richtung fließen konnten. Nun haben Innsbrucker Wissenschaftler ihnen eine ganz neue Dimension verliehen, indem sie sie in Bewegung an einer Schnur, in Bewegung auf einem Blatt Papier verwandelt haben. Dieses BEC bestand aus Dysprosiumatomen (einem seltenen Erdmetall, silbergrauem Metall), und magnetische Wechselwirkungen zwischen den Atomen führten dazu, dass sie sich in Tröpfchen sammelten, die sich wiederum aufstellten.
„Man würde normalerweise denken, dass sich jedes Atom in einem bestimmten Tropfen befindet, ohne dass man dazwischen kommen kann“, sagt Matthew Norcia, Autor der Studie. „Im superharten Zustand ist jedoch jedes Partikel über alle Tropfen delokalisiert, die gleichzeitig in jedem Tropfen vorhanden sind. Im Grunde haben Sie ein System mit einer Reihe von hochdichten Regionen (Tröpfchen), die die gleichen delokalisierten Atome haben.
Wissenschaftler sagen, dass dieser Durchbruch es Physikern ermöglichen könnte, einen völlig neuen Bereich der Quantenverrücktheit zu erforschen, die über die Reichweite eines eindimensionalen superharten Körpers hinausgeht.
„In einem zweidimensionalen superharten System kann man beispielsweise untersuchen, wie sich Wirbel in einem Loch zwischen mehreren benachbarten Tröpfchen bilden“, sagt Matthew Norcia. "Die theoretisch beschriebenen Wirbel sind noch nicht nachgewiesen, stellen aber eine wichtige Folge der Suprafluidität dar."
Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
2021-08-22 12:58:01
Autor: Vitalii Babkin