Dienstag, 06. März 2018

Uni Innsbruck: Quasiteilchen in Quantengas nachgewiesen

Innsbrucker Experimentalphysiker haben gemeinsam mit Theoretikern aus Innsbruck und Hannover erstmals sogenannte Rotonen in einem Quantengas nachgewiesen. Diese Quasiteilchen wurden für die Beschreibung der seltsamen Eigenschaften von supraflüssigem Helium eingeführt.

In einem zigarrenförmigen Quantengas aus magnetischen Atomen können sich die Rotonen zeigen. - Foto: uibk
In einem zigarrenförmigen Quantengas aus magnetischen Atomen können sich die Rotonen zeigen. - Foto: uibk

Suprafluidität wurde vor über 80 Jahren in flüssigem Helium entdeckt und ist ein nicht leicht verständliches Phänomen, in dem sich Quantenphysik und Teilchenwelle-Dualismus auf makroskopischer Ebene zeigen. Seit damals hat es wesentliche Fortschritte im Verständnis von Quantenmaterie gegeben, obwohl manche Phänomene immer noch rätselhaft bleiben. Ein Kennzeichen von Suprafluidität ist die Existenz von Quasiteilchen, das sind elementare Anregungen geprägt von Wechselwirkungen. Das Verhalten von solchen besonderen Flüssigkeiten bei tiefen Temperaturen wird hauptsächlich von zwei Arten von Anregungen bestimmt. Die ersten sind Phononen, die bekannten langwelligen Quanten der Schallwellen. Die zweiten, sehr viel seltsamer und faszinierender, sind massive Quasiteilchen, sogenannte Anregungen geprägt von Wechselwirkungen. Das Verhalten von solchen besonderen Flüssigkeiten bei tiefen Temperaturen wird hauptsächlich von zwei Arten von Anregungen bestimmt.

Die ersten sind Phononen, die bekannten langwelligen Quanten der Schallwellen.

Die zweiten, sehr viel seltsamer und faszinierender, sind massive Quasiteilchen, sogenannte Rotonen. Sie haben einen hohen Impuls und im Gegensatz zu gewöhnlichen (Quasi)-Teilchen, für die die Energie mit dem Impuls ansteigt, zeigt die Dispersionsrelation der Rotonen ein Minimum bei einem endlichen Impuls. Dieses ungewöhnliche Verhalten bringt die Tendenz der Flüssigkeit zum Ausdruck, kurzwellige räumliche Dichtemodulationen aufzubauen, Vorboten einer Kristalllabilität.

Dieses Verhalten entspringt einem erstaunlichen Übersprechen zwischen den Teilchen, das der extrem hohen Dichte der Flüssigkeit geschuldet ist. Ultrakalte Gase und ganz besonders Bose-Einstein-Kondensate stellen ein anderes Beispiel für Suprafluidität dar, bei denen sich aufgrund der viel geringeren Dichte aber zunächst keine Rotonen zeigen. 

Innsbrucker sind weltweit erste Forschungsgruppe bei dieser Erforschung 

Als weltweit erste Forschungsgruppe haben die Innsbrucker Wissenschaftler 2012 ein Bose-Einstein-Kondensat aus Erbium-Atomen realisiert. Der stark magnetische Charakter dieser Atome führt zu einem extrem dipolaren Verhalten des Quantensystems. Mit diesem Modellsystem konnten sie bereits mehrere dipolare Wenig- und Vielteilcheneffekte nachweisen. Nun ist es der Gruppe gelungen, ein Bose-Einstein-Kondensat aus rund 100.000 Erbium-Atomen so zu präparieren, dass Rotonen beobachtet werden können. 

Der erfolgreiche Nachweis dieses seit langem gesuchten Quasiteilchens ebnet den Weg für die weitere Erforschung der Suprafluidität. Darüber hinaus schafft es auch Möglichkeiten, einen paradoxen Materiezustand zu erkunden, der gleichzeitig sowohl Eigenschaften fester als auch suprafluider Körper zeigt. Erste Nachweise dafür hat es im vergangenen Jahr bereits in Experimenten an Hybrid-Systemen aus Atomen und Licht gegeben. 

Die Arbeit der Innsbrucker Wissenschaftler wurde unter anderem durch den österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und die Europäische Union finanziell unterstützt. 

Das Innsbrucker Team: (hintere Reihe von links) Rick van Bijnen, Giulia Faroani, Jan Hendrik Becher, Lauriane Chomaz, Gabriele Natale, Francesca Ferlaino. (vordere Reihe v.l.): Simon Baier, Daniel Petter, Manfred Mark. - Foto: Martin Vandory

stol

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