{"id":308133,"date":"2021-09-15T11:11:00","date_gmt":"2021-09-15T09:11:00","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?p=308133"},"modified":"2021-09-15T11:11:00","modified_gmt":"2021-09-15T09:11:00","slug":"die-beobachtung-von-zweidimensionalem-suprasoliden-quantengas-bringt-auch-die-klassische-physik-voran","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/die-beobachtung-von-zweidimensionalem-suprasoliden-quantengas-bringt-auch-die-klassische-physik-voran\/","title":{"rendered":"Die Beobachtung von zweidimensionalem suprasoliden Quantengas bringt auch die klassische Physik voran"},"content":{"rendered":"\n

Im August berichteten wir<\/a>, dass es erstmals gelungen ist, ein zweidimensionales suprasolides Quantengas im Labor zu realisieren. Das Forscherteam aus Innsbruck konnte einen Kristall und eine suprafluide Fl\u00fcssigkeit gleichzeitig formen. Suprafluide sind Fl\u00fcssigkeiten, die widerstandsfrei flie\u00dfen. Der Versuch basierte auf magnetischen Atomen und einem ultrakaltem Quantengas, dem sogenannten Bose Einstein-Kondensat<\/em>. Dieses entsteht, wenn ein Gas bis knapp \u00fcber dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) abgek\u00fchlt wird.<\/p>\n\n\n\n

Auch interessant<\/strong>: Zusammenhang zwischen Quantenphysik und Raumzeit entdeckt<\/a><\/p>\n\n\n\n

In Alltag k\u00f6nnen wir nur drei Aggregatzust\u00e4nde beobachten: gasf\u00f6rmig, fl\u00fcssig und fest. Stoffe wechseln ihren Aggregatzustand zum Beispiel durch Temperaturver\u00e4nderung und \u00fcblicherweise sind Stoffe bei niedrigen Temperaturen fest und bei hohen Temperaturen gasf\u00f6rmig. Nimmt man aber ein stark verd\u00fcnntes Gas und k\u00fchlt es extrem ab, dann wird es weder fl\u00fcssig noch fest, sondern bleibt gasf\u00f6rmig. Dennoch verlieren die Teilchen mehr und mehr Energie und unterhalb einer kritischen Temperatur werden die Quanteneigenschaften dieser Teilchen so dominant, dass das sogenannte Bose-Einstein-Kondensat<\/em> entsteht. In diesem sind die einzelnen Atome vollst\u00e4ndig delokalisiert. Das bedeutet, dass das gleiche Atom zu jedem Zeitpunkt an jedem Punkt innerhalb des Kondensats vorhanden ist. Bose-Einstein-Kondensate sind also auch Suprafluide.<\/p>\n\n\n\n

Suprasolide in Quantengas<\/h3>\n\n\n\n

Das Team um Francesca Ferlaino<\/a> nutzte das Bose-Einstein- Kondensat<\/em> schon vor zwei Jahren um eindimensionale Suprasolide zu erzeugen. Die Forscher vom Institut f\u00fcr Experimentalphysik<\/em> der Universit\u00e4t Innsbruck<\/em> <\/a>und dem Institut f\u00fcr Quantenoptik und Quanteninformation<\/em> der \u00d6sterreichischen Akademie der Wissenschaften<\/em><\/a> (\u00d6AW) in Innsbruck. Die Forscher brachten magnetische Atome dazu, sich in dem ultrakaltem Quantengas zu Tr\u00f6pfchen zu organisieren und sich kristallartig anzuordnen. Dabei waren aber alle Teilchen weiterhin \u00fcber alle Tr\u00f6pfchen hinweg delokalisiert wodurch das Gas weiterhin suprafluide bleibt. Die Kombination der Kristallstruktur mit gleichzeitiger Suprafluidit\u00e4t wird Suprasolid<\/em> oder auch Superfestk\u00f6rper<\/em> genannt.<\/p>\n\n\n\n

Jetzt gelang es dem Team Ferlaino dieses Ph\u00e4nomen auf zwei Dimensionen zu erweitern. Sie erzeugten Systeme mit zwei oder mehr Reihen von Tr\u00f6pfchen. Mit im Team waren die beiden Theoretiker Luis Santos von der Universit\u00e4t Hannover<\/em><\/a> und Russell Bisset von der Universit\u00e4t Innsbruck<\/a><\/em>.<\/p>\n\n\n\n

Erweiterte Forschungsperspektiven<\/h3>\n\n\n\n

Dieser Durchbruch erweitert die Forschungsperspektiven entscheidend. So kann man zum Beispiel in einem zweidimensionalen suprasoliden System untersuchen, wie sich in der \u00d6ffnung zwischen mehreren beieinanderliegenden Tr\u00f6pfchen Wirbel bilden. Diese in der Theorie beschriebenen Wirbel wurden bisher noch nicht nachgewiesen, stellen aber eine wichtige Folge von Suprafluidit\u00e4t dar.<\/p>\n\n\n\n

Bisher wurden Wirbel erst in gleichf\u00f6rmigen Suprafluids nachgewiesen \u2013 und das in quantisierter Form. \u201eEin quantisierter Wirbel ist im Grunde ein Loch im System und um dieses Loch zirkuliert das Suprafluid mit einer bestimmten Menge an Zirkulation\u201c, erkl\u00e4rt Matthew Norcia aus dem Team Ferlaino. \u201eIn Suprasolids d\u00fcrften die Wirbel aber nicht auf diese Weise quantisiert sein \u2013 und sie m\u00fcssten in Regionen mit geringer Dichte zu finden sein. Das ist zwischen den Tr\u00f6pfchen der Fall und nicht innerhalb eines Tr\u00f6pfchens, wo die atomare Dichte hoch ist.\u201c<\/p>\n\n\n\n

\u201eEin quantisierter Wirbel ist im Grunde ein Loch im System und um dieses Loch zirkuliert das Suprafluid mit einer bestimmten Menge an Zirkulation.” <\/p>Matthew Norcia aus dem Team Ferlaino<\/cite><\/blockquote>\n\n\n\n

Quantisierte Wirbel<\/h3>\n\n\n\n

Wenn die Forscher in suprafluiden Systemen von quantisierten Wirbeln sprechen, dann betrifft das insbesondere den Drehimpuls pro Teilchen. Das ist eine eindeutige Signatur der Suprafl\u00fcssigkeit, die sich aus einer quantenmechanischen Behandlung des Systems ergibt. Norcia: \u201eWir nehmen an, dass diese Quantenbedingungen in Suprasolids gelockert werden, und zwar so, dass der Drehimpuls pro Teilchen, der mit einem Wirbel assoziiert ist, unterschiedlich sein kann, je nachdem, wie die Dichte des Zustands moduliert ist. Wenn wir also den Drehimpuls dieser quantisierten Wirbel betrachten, k\u00f6nnten wir ein Ma\u00df daf\u00fcr haben, wie suprafluid verschiedene Suprasolide sind.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Auch interessant<\/strong>: Physiker entwickelten eine Schnittstelle f\u00fcr Quantencomputer<\/a><\/p>\n\n\n\n

Die Beobachtung der Ph\u00e4nomene von Suprasolids in Quantengas verspricht aber noch mehr Forschungserkenntnisse. Denn einige Schl\u00fcsseleigenschaften von Suprasolids k\u00f6nnen nur in zwei Dimensionen untersucht werden. So k\u00f6nnen sich beispielsweise die Rotationseigenschaften eines Suprafluids drastisch von jenen eines normalen Fluids oder eines anderen Systems unterscheiden. Auch Gr\u00f6\u00dfen wie die Viskosit\u00e4t, f\u00fcr die Superfluide einzigartig sind, machen nur in Systemen mit mehr als einer Dimension Sinn.<\/p>\n\n\n\n

Folgen von Symmetrien verstehen<\/h3>\n\n\n\n

Diese Laborbefunde helfen den Forschern aber auch die Folgen von Symmetrien zu erforschen. Norcia: \u201eWenn in Suprasolids kristalline Struktur und Suprafluidit\u00e4t gleichzeitig auftreten, dann h\u00e4ngt das mit der Kombination von Translations- und Phasensymmetrien zusammen, die in einem Suprasolid jeweils \u201agebrochen\u2019 sind. Das generelle Verst\u00e4ndnis von Symmetrien ist f\u00fcr die Physik im Allgemeinen und f\u00fcr Werkstoffsysteme im Besonderen von entscheidender Bedeutung. In diesem Sinne kann uns die Erforschung der Auswirkungen dieser Symmetrien helfen, andere physikalische Systeme besser zu verstehen – sowohl im Labor als auch f\u00fcr praktische Anwendungen.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Laserlicht versus magnetische Atome<\/h3>\n\n\n\n

Schon 2017 haben verschiedene Forschergruppen \u00e4hnliche Versuche unternommen, mit Laser und Quantengasen aus Natrium- oder Rubidiumatomen. Die Atome waren dabei an durch Laserlicht erzeugte periodische Strukturen gekoppelt. Das hei\u00dft, die kristalline Struktur des atomaren Zustands wurde durch das Laserlicht definiert. Dadurch war der erzeugte Suprafestk\u00f6rper sehr steif, weil das Laserlicht die Schwingungen der kristallinen Struktur von Festk\u00f6rpern nicht unterst\u00fctzt.<\/p>\n\n\n\n

Bei den magnetischen Atomen der Gruppe Ferlaino ist es hingegen die direkte magnetische Wechselwirkung zwischen den Atomen, die die Dichtemodulation erzeugt. Infolgedessen kann das Suprasolid komprimiert und in Schwingungen versetzt werden. Diese Wechselwirkung ist es auch, die in Verbindung mit dem Fallenpotenzial den kristallinen Anteil bestimmt.<\/p>\n\n\n\n

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