Auf dem Weg zum Suprakristall

  • 02. February 2016

Forscher vereinigen Eigenschaften von Gasen, Kristallen und Supra­flüssig­keiten zu einem neuen Materie­zustand.

In der Welt der Quantenmechanik ist alles anders. Auf Längen­skalen von wenigen Nano­metern sind die Bau­steine der Materie halb Welle, halb Teilchen und haben nur noch eine gewisse Wahr­schein­lich­keit an einem bestimmten Ort zu sein. Diese Effekte lassen sich in ultra­kalten ver­dünnten Gasen beob­achten. Hierfür werden Tausende bis Millionen Atome bis auf wenige Milliard­stel Grad über dem absoluten Null­punkt gekühlt. Dann sind die Atome einzeln nicht mehr unter­scheid­bar, sondern vereinen sich zu einer kollek­tiven Materie­welle. Dieser selt­same Zustand des Bose-Einstein-Kondensats verleiht dem Atom­kollektiv erstaun­liche Eigen­schaften: Die Materie­welle fließt als Quanten­flüssig­keit praktisch ohne innere Reibung und wird deshalb Supra­flüssig­keit genannt.

Quanten-Ferrofluid

Abb.: Schattenrissaufnahme des Quanten-Ferrofluids im Experiment. Die kristallartige Anordnung der Tröpfchen ähnelt deutlich den regelmäßigen Spitzen im klassischen Ferrofluid (unten), die sich ausbilden, wenn ein Magnetfeld angelegt wird. (Bild: U. Stuttgart)

Einem Forscherteam um Tilman Pfau von der Uni Stuttgart ist es gelungen, eine Supra­flüssig­keit aus Dysprosium-Atomen zu erzeugen. Die Wissen­schaftler bezeichnen sie als „Quanten-Ferro­fluid“, denn sie ist nicht nur supra­fluid, sondern zeigt ähnlich wie das in der klassischen Welt bekannte Ferro­fluid erstaun­liche magne­tische Eigen­schaften. Ferro­fluid besteht aus winzigen Eisen­partikeln, die in Öl oder Wasser gelöst sind. Legt man ein starkes Magnet­feld senkrecht zur Ferro­fluid-Ober­fläche an, kommt es zur Rosen­sweig-Instabi­lität: Die Ober­fläche ist nicht mehr glatt, sondern bildet regel­mäßige Spitzen aus. Diese Struktur entsteht, da sich die Nord- und Süd­pole der einzelnen Magnet­teilchen anziehen und es energetisch am günstigsten für sie ist, sich entlang der Feld­linien anzu­ordnen. Im Quanten-Ferro­fluid übernimmt die Rolle der Eisen­teilchen Dysprosium, das am stärksten magnetische Element im Perioden­system.

Für ihre Untersuchungen haben die Forscher Quanten-Ferrofluide aus 15.000 ultra­kalten Dysprosium-Atomen herge­stellt. Ähnlich wie bei Ferro­fluiden konnten sie geordnete Kristall­strukturen aus mikro­skopisch kleinen Tröpfchen beobachten. Die Tröpfchen haben jeweils Ausmaße kleiner als ein Mikro­meter und ihre Existenz wurde nach dem bisherigen Kenntnis­stand nicht für möglich gehalten. Inzwischen vermuten die Forscher, dass Quanten­fluktua­tionen eine entscheidende Rolle für die Stabilität dieser Quanten­materie spielen. Diese Quanten­fluktua­tionen ermöglichen einen einzig­artigen Materie­zustand, in dem scheinbar gegen­sätzliche Eigen­schaften von Gasen, Kristallen und Supra­flüssig­keiten verbunden werden können. Diese Verknüpfung könnte ein erster Schritt zu einem Supra­kristall sein, ein räumlich geordneter Fest­körper mit supra­fluiden Eigen­schaften.

UiS / RK

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