Licht erstmals in suprasoliden Zustand gebracht
Forschende, die im Rahmen der EU-finanzierten Projekte Q-ONE und PolArt unterstützt werden, konnten erstmalig Licht dazu bringen, sich wie ein Superfestkörper zu verhalten. Diese bemerkenswerte Errungenschaft könnte den Weg zu einem besseren Verständnis der seltsamen Quantenphase der Materie, der sogenannten Supersolidität, bahnen und außerdem die Tür zu vielen neuen Anwendungen wie beispielsweise Quantencomputern und Supraleitern öffnen. Im suprasoliden Zustand sind die Teilchen in Form einer geordneten kristallinen Struktur angeordnet, können aber gleichermaßen wie eine nicht viskose Flüssigkeit frei fließen. Erst 2017 gelang es, diesen Zustand experimentell und wissenschaftlich überzeugend nachzuweisen. Gemäß ihrer in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlichten Studie haben nun Forschende aus Österreich, Italien und den Vereinigten Staaten dieses Wissen einen Schritt weiter vorangebracht und echtes Licht in einen Superfestkörper verwandelt. „Das ist erst der Anfang des Verständnisses der Suprasolidität“, erklären zwei Koautoren der Studie, die italienischen Physiker Antonio Gianfrate vom Institut des Nationalen Forschungsrats CNR-NANOTEC und Davide Nigro von der Universität Pavia, in einem kürzlich erschienenen „Newsweek“-Artikel. CNR-NANOTEC ist das Nanotechnologieinstitut des Nationalen Forschungsrats Italiens, von dem aus das Projekt Q-ONE koordiniert wird, und das Partner von PolArt ist.
Exotisches im Kommen
Phasen der Materie wie etwa Superfestkörper treten meist bei extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 ℃) auf. Das seien die Temperaturen, bei denen „die quantenmechanische Natur der Atome zum Vorschein kommt und exotische Phasen der Materie auftreten“, so die Forschenden. Die mögliche Existenz derartiger exotischer Phasen inspirierte die beiden Physiker zu Experimenten mit Photonen. Um ihren Superfestkörper zu erzeugen, richtete das Forschungsteam Laserlicht auf eine photonische Halbleiterplattform aus Aluminiumgalliumarsenid, in der Photonen wie Elektronen geleitet werden. Ihr System beruht auf der Bildung von bosonischen Quasiteilchen, sogenannten „Polaritonen“, die durch Kopplung von Photonen mit Exzitonen durch starke elektromagnetische Wechselwirkungen entstehen. In diesem System können die Photonen einen von drei Quantenzuständen annehmen, wobei alle die gleiche Energie, aber unterschiedliche Wellenzahlen aufweisen. Zunächst verfügen die wenigen Photonen in der Halbleiterplattform über unterschiedliche Frequenzen und Wellenlängen, die sich nicht in Phase zueinander befinden. Sobald sie jedoch einen Schwellenwert erreichen, bilden sie ein einziges Polaritonenkondensat im niedrigstmöglichen Energiezustand. In „Newsweek“ vergleichen Gianfrate und Nigro die Situation mit einem überfüllten Theater, in dem nur drei Plätze in der ersten Reihe frei sind – einer in der Mitte und zwei an den beiden Reihenenden. „Der mittlere Platz hat die beste Sicht, deshalb wollen die Leute dort sitzen, aber nur eine Person kann diesen Platz einnehmen“, erklären sie. „In einem Quantentheater ... können alle auf dem mittleren Platz sitzen und ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat bilden, einen suprafluiden Zustand, in dem ein großer Anteil der Teilchen zur gleichen Zeit den Quantenzustand mit der niedrigsten Energie einnimmt.“ Wenn die Anzahl der Photonen auf dem mittleren Sitz eine bestimmten Grenzwert erreicht, werden Photonenpaare zu den beiden anderen Sitzen, in die benachbarten Zustände, geschoben, um die Energie des Systems zu senken. „Diese Photonen bilden Satellitenkondensate, die entgegengesetzte Wellenzahlen ungleich Null, aber die gleiche Energie aufweisen (sie sind isoenergetisch)“, kommentieren die Forschenden und merken an, dass auf diese Weise der suprasolide Zustand entstehe. Das Projekt Q-ONE (Quantum Optical Networks based on Exciton-polaritons) endet im Jahr 2027. PolArt (Neuromorphic Polariton Accelerator) endet 2028. Weitere Informationen: Q-ONE-Projektwebsite PolArt-Projektwebsite
Schlüsselbegriffe
Q-ONE, PolArt, Photon, Licht, Polariton, Suprasolidität, Quanten, Zustand, Energie, Teilchen, Halbleiter
