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Zweidimensionales superkristallines Quantengas

28.08.2021

Neben den bekannten Grundzuständen der Materie, dem Aggregatzustand fest, flüssig, gasförmig und Plasma, gibt es noch viele weitere exotische Zustände, die nur in der Vorstellung oder im Labor erreicht werden können. Einer dieser Zustände, bekannt als Superkristall, „zog“ vor einigen Jahren die Fantasie von Wissenschaftlern in seinen Bann, und erst kürzlich gelang es Forschern der Universität Innsbruck erstmals in der Wissenschaftsgeschichte, einen solchen Superkristall herzustellen ihr Labor außerdem in einer noch exotischeren Form, in Form eines zweidimensionalen superkristallinen Quantenkristalls.

Ein Superkristall ist ein bisschen anders, als man sich aufgrund seines Namens vorstellen könnte. Im Wesentlichen bilden die Atome eines Superkristalls eine feste kristalline Struktur, genau wie in gewöhnlichen kristallinen Formen von Materie. Aber parallel dazu können sich Atome bewegen, d.h. Ein Superkristall kann mit Nullviskosität fließen, wie eine Superflüssigkeit oder, wie es auch genannt wird, eine Superflüssigkeit. Dies ist einem Paradoxon sehr ähnlich, aber theoretisch wurde die Möglichkeit der Existenz einer solchen Form von Materie bereits in den 1960er Jahren begründet, und 2017 wurde die erste experimentelle Bestätigung erhalten.

Einigen Forschergruppen ist es gelungen, mithilfe des sogenannten Bose-Einstein-Kondensats (BEC) kleine Superkristalle zu bilden. Dieses Kondensat ist eine Atomwolke, die auf eine extrem niedrige Temperatur gekühlt wird. Und in einem solchen Aggregatzustand kommen seine Quanteneigenschaften zum Vorschein, die sich normalerweise nicht in so großem Maßstab manifestieren. Eines der Hauptmerkmale ist, dass alle Atome, aus denen die Kondensatwolke besteht, dank eines Quantenphänomens namens Delokalisierung gleichzeitig an allen Punkten in der Wolke existieren.

In früheren Experimenten waren die resultierenden Teilchen von Superkristallen so klein, dass sie bedingt als eindimensional betrachtet werden konnten, wodurch die Atome des Superkristalls nur in eine Richtung fließen konnten. Die Innsbrucker Gruppe verlieh ihrem Superkristall eine andere Dimension, indem sie das von ihnen verwendete Bose-Einstein-Kondensat, das aus Dysprosium-Atomen bestand, verwendete. Die magnetischen Wechselwirkungen zwischen diesen Atomen führten dazu, dass sie sich zu "Tröpfchen" zusammensetzten, die sich selbst als Knoten in einem zweidimensionalen Gitter aneinanderreihten.

Bei der Forschung konnten Wissenschaftler bereits feststellen, dass in dem von ihnen geschaffenen System in einem zweidimensionalen Superkristall manchmal seltsame Wirbel im leeren Bereich zwischen den Tröpfchen auftreten. Ein solches Phänomen wurde bereits früher in der Theorie beschrieben, das Auftreten von Wirbeln ist eine der Folgen des Phänomens der Suprafluidität, und dieser Fall ist auch das erste Mal in der Geschichte der Wissenschaft, dass Wissenschaftler all dies mit eigenen Augen beobachten konnten Augen.

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