Wissenschaftlern um Prof. Tilman Pfau vom 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist es im Rahmen des Zentrums für Integrierte Quantenwissenschaft und -technologie IQ ST gelungen, die Eigenschaften von Gasen, Kristallen und Supraflüssigkeiten zu einem einzigen neuen Materiezustand zu verschmelzen. Darüber berichtet die Fachzeitschrift „Nature“ in ihrer Ausgabe vom 1. Februar 2016*.
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- 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.
Abb. Universität Stuttgart
In der Welt der Quantenmechanik ist alles anders. Weit unten auf der Längenskala bei wenigen Nanometern sind klassische Vorstellungen von Materie nicht mehr möglich. In diesem Längenbereich 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 auf etwa -273,15 Grad Celsius gekühlt. Bei solch eisigen Temperaturen sind die Atome einzeln nicht mehr unterscheidbar, sondern vereinen sich zu einer riesigen kollektiven Materiewelle. Dieser seltsame Zustand des so genannten Bose-Einstein-Kondensats verleiht dem Atomkollektiv erstaunliche Eigenschaften. Diese Materiewelle fließt als Quantenflüssigkeit praktisch ohne innere Reibung und wird deshalb Supraflüssigkeit genannt.
Forscher um Tilman Pfau am Zentrum für Integrierte Quantenwissenschaften IQ ST in Stuttgart ist es gelungen, eine solche Supraflüssigkeit aus Dysprosiumatomen zu erzeugen. Sie nennen es „Quanten-Ferrofluid“, denn die neu entdeckte Materie 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 Ferrofluidoberfläche an, kommt es zur sogenannten Rosensweig-Instabilität. Die Oberfläche ist nicht mehr glatt wie bei üblichen Flüssigkeiten, sondern bildet regelmäßige Spitzen aus. Die Igelstruktur 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 magnetischste Element im Periodensystem.
Auf dem Weg zu einem Superkristall?
Für die im renommierten Fachjournal „Nature“ beschriebenen Untersuchungen haben die Forscher Quanten-Ferrofluide aus 15.000 ultrakalten Dysprosiumatomen hergestellt. Ähnlich wie bei Ferrofluiden konnten sie geordnete Kristallstrukturen aus mikroskopisch kleinen Tröpfchen beobachten. Die Tröpfchen haben jeweils Ausmaße kleiner als 1 µm und ihre Existenz wurde nach dem bisherigen Kenntnisstand nicht für möglich gehalten. Inzwischen vermuten die Forscher, dass Quantenfluktuationen, die durch die Heisenberg’sche Unschärferelation hervorgerufen werden, 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 sogenannten Suprakristall sein, ein räumlich geordneter Festkörper mit suprafluiden Eigenschaften.
* Originalpublikation: Observing the Rosensweig instability of a quantum ferrofluid, Holger Kadau, Matthias Schmitt, Matthias Wenzel, Clarissa Wink, Thomas Maier, Igor Ferrier-Barbut, Tilman Pfau, Nature vom 1. Februar 2016 http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature16485.html
Über das IQ ST: Das Zentrum für Integrierte Quantenwissenschaft und -technologie (Integrated Quantum Science and Technology, IQ ST) ist ein Verbund aus Forschern der Universitäten Stuttgart und Ulm sowie des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart. Ziel des Zentrums ist es, Synergien zwischen der Physik und den angrenzenden Natur- und Ingenieurwissenschaften zu fördern und die Quantenwissenschaft von den Grundlagen bis zu den technologischen Anwendungen zu vertreten.
Das 5. Physikalische Institut der Universität Stuttgart gehört dem IQ ST als Gründungsmitglied seit 2011 an. Die Wissenschaftler um Prof. Dr. Tilman Pfau untersuchen die Quanteneigenschaften von Atomen und versuchen, diese gezielt zu kontrollieren auf der Suche nach neuen Materiezuständen oder möglichen Anwendungen für die Quanteninformationstechnologie und Quantenoptik.
Kontakt: Prof. Dr. Tilman Pfau, Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-68025, E-Mail: t.pfau (at) physik.uni-stuttgart.de