Forschern ist ein Durchbruch in der Quantenphysik gelungen, indem sie zum ersten Mal beobachtet haben, wie ein supraflüssiger Materiezustand in einen Superfestkörper übergeht – und dann wieder zurückkehrt. Diese reversible Phasenverschiebung, die in einer Nature -Studie vom 28. Januar detailliert beschrieben wurde, bestätigt eine zuvor theoretische Möglichkeit und eröffnet neue Wege zum Verständnis exotischer Materiezustände.
Die seltsame Welt der Quantenphasen
Die meisten Menschen kennen drei gemeinsame Phasen: fest, flüssig und gasförmig. Unter extremen Bedingungen kann Materie jedoch in vielen anderen Zuständen existieren. Superflüssigkeiten sind ein solches Beispiel: Sie fließen ohne Widerstand, bilden beim Rühren sogar ewige Quantenwirbel und treten nur bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt auf.
Superfeststoffe, die theoretisch aus noch kälteren Superflüssigkeiten entstehen, vereinen Nullviskosität mit kristalliner Ordnung. Im Gegensatz zu typischen Flüssigkeiten ordnen sich die Teilchen in einem Superfestkörper in einem Gitter an und behalten dabei ihre Fähigkeit zu fließen und Quantenwirbel zu bilden.
Das Experiment und die wichtigsten Erkenntnisse
Frühere Versuche, Supersolide zu erzeugen, beruhten auf externen Manipulationen, um Partikel in eine Gitterstruktur zu zwingen. Diese neue Forschung zeigt einen natürlichen Phasenübergang: Das Superfluid organisiert sich unter den richtigen Bedingungen spontan zu einem Superfeststoff.
Um dies zu erreichen, legte das Team zwei Graphenschichten zusammen und setzte sie einem starken Magnetfeld aus, wodurch eine „Exzitonensuppe“ entstand. Exzitonen, aus Elektron-Loch-Paaren gebildete Quasiteilchen, verhielten sich unerwartet, als das System abkühlte.
Vom Superfluid zum Supersolid
Bei Temperaturen zwischen 2,7 und 7,2 °F (1,5–4 °C) über dem absoluten Nullpunkt bildeten die Exzitonen eine Supraflüssigkeit. Durch weitere Abkühlung kam es zu einer Verschiebung in eine elektrisch isolierende Phase, die nach Ansicht der Forscher ein echter superfester Zustand ist.
Jia Li, ein Physiker an der University of Texas in Austin, erklärte: * „Die Beobachtung einer isolierenden Phase, die zu einem Superfluid schmilzt, ist beispiellos. Dies deutet stark darauf hin, dass es sich bei der Niedertemperaturphase um einen höchst ungewöhnlichen Exzitonenfeststoff handelt.“*
Warum das wichtig ist
Diese Entdeckung ist wichtig, weil sie grundlegende theoretische Vorhersagen über das Verhalten der Materie bei extremen Temperaturen bestätigt. Die Fähigkeit, diesen Phasenübergang auf natürliche Weise auszulösen, lässt auf eine tiefere, inhärente Stabilität dieser exotischen Zustände schließen.
Die Implikationen gehen über die reine Physik hinaus. Das Verständnis von Supersoliden könnte neue Technologien ermöglichen: Materialien ohne Widerstand könnten die Energieübertragung revolutionieren, während die einzigartigen Eigenschaften dieser Phasen zu neuartigen Quantengeräten führen könnten.
Was kommt als nächstes?
Das Team plant, andere Materialien zu erforschen und Messtechniken zu verfeinern, um den superfesten Exziton-Zustand weiter zu charakterisieren. Cory Dean, ein Physiker an der Columbia University, erklärte: „Im Moment erforschen wir die Grenzen dieses isolierenden Zustands und entwickeln gleichzeitig neue Werkzeuge, um ihn direkt zu messen.“*
Bei dieser Forschung geht es nicht nur darum, ein seltsames Phänomen zu beobachten; Es geht darum, die Grenzen unseres Verständnisses von Materie zu erweitern und den Weg für zukünftige technologische Durchbrüche zu ebnen.
Letztendlich bestätigt diese Entdeckung, dass das Universum noch seltsamere Überraschungen bereithält, als wir uns bisher vorgestellt hatten, und dass die Suche nach dem Verständnis seiner Grundgesetze noch lange nicht abgeschlossen ist.
