Quantenzustand erstmals bei Raumtemperatur beobachtet

Forschende haben einen besonderen Quantenzustand der Materie, eine sogenannte suprasolide Phase, erstmals bei Raumtemperatur beobachtet. Beteiligt waren die Fakultät für Physik der Universität Warschau, die Militärtechnische Universität in Warschau, IBM Research Zürich und das französische Forschungszentrum CNRS. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Flüssig und kristallin zugleich

Eine suprasolide Phase verbindet zwei scheinbar widersprüchliche Eigenschaften. Sie fließt wie eine Supraflüssigkeit völlig ohne Reibung und bildet zugleich eine regelmäßige, kristallähnliche Struktur. Physiker hatten diesen Zustand bereits in den 1960er-Jahren vorhergesagt. Experimentell nachgewiesen wurde er erst 2017, und zwar in Bose-Einstein-Kondensaten aus Atomen, die bis nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt waren.

Licht statt Atome

Das Forschungskonsortium TopoLight wählte einen anderen Weg. Statt ultrakalter Atome untersuchten die Forschenden sogenannte Exziton-Polaritonen. Das sind Quasiteilchen, die durch die starke Kopplung von Licht und Materie in einem optischen Mikroresonator entstehen. Sie existieren nur wenige Pikosekunden, das reicht aber aus, um ein Bose-Einstein-Kondensat zu bilden. Der Mikroresonator war mit einem speziell entwickelten Flüssigkristall gefüllt und mit einem organischen Halbleiter beschichtet. Diese Kombination ermöglicht die starke Kopplung bei Raumtemperatur. Laut Professor Wiktor Piecek von der Militärtechnischen Universität funktionieren die Mikroresonatoren sogar bei Temperaturen bis nahe 60 Grad Celsius.

Den Übergang in die suprasolide Phase erkannten die Forschenden an regelmäßig angeordneten hellen Streifen im ausgesandten Licht. Bei jedem Laserpuls erschienen die Streifen an einer anderen Position, das System wählte also jedes Mal selbstständig eine von mehreren gleichwertigen Anordnungen.

„Das ist ein Lehrbuchbeispiel für spontane Symmetriebrechung”, sagt Professor Guillaume Malpuech vom Institut Pascal des CNRS.

Wettlauf gegen die Zeit

Das Experiment erwies sich als schwierig, da der organische Halbleiter allmählich mit dem Flüssigkristall reagierte. Alle Messungen mussten innerhalb weniger Stunden nach dem Zusammenbau einer Probe erfolgen, für jede Wiederholung war eine neue Probe nötig. Die wichtigsten Messungen fanden bei IBM Research Zürich statt.

Bisher erforderten Untersuchungen solcher Quantenzustände meist teure Kühlsysteme. Die Forschenden sehen in den Ergebnissen eine Grundlage für künftige Technologien auf Basis von Licht, etwa ultraschnelle photonische Bauelemente, Beschleuniger für neuromorphes Rechnen und empfindliche optische Sensoren.

Da sich die optischen Eigenschaften der Flüssigkristall-Mikroresonatoren mit einer elektrischen Spannung steuern lassen, bieten sie laut den Forschenden zudem die erste elektrisch abstimmbare Plattform zur Untersuchung solcher Zustände. Bis zu praktischen Anwendungen ist es allerdings noch ein weiter Weg.

(red)