Bose-Einstein-Kondensate sind eine ideale Plattform zur Erforschung dynamischer Phänomene, die im Vielteilchenlimit auftreten. Eine Wolke aus einzelnen Atomen verhält sich in diesem Zustand insgesamt wie eine einzige Flüssigkeit. Diese Quantenflüssigkeit kann ohne Widerstand fließen – sie ist supraflüssig.
In ultrakalten Atomwolken können zwei Supraflüssigkeiten gleichzeitig existieren. Ihre Koexistenz konnte bisher experimentell nicht beobachtet werden. Jetzt jedoch scheiden Physiker aus Universität Heidelberg haben eine solche magnetische Quantenflüssigkeit – sie ist in zweierlei Hinsicht flüssig – in einem nachgewiesen Atomgas.
Markus Oberthaler, Forscher am Kirchhoff-Institut für Physik, erklärt: „In den letzten Jahrzehnten wurden atomare Bose-Einstein-Kondensate aus sehr unterschiedlichen Atomarten wie Natrium und Rubidium hergestellt, in jüngerer Zeit aber auch aus „exotischeren“ Atomen wie Erbium und Dysprosium.“
„Die meisten dieser Atome weisen auch innere Freiheitsgrade auf – sie haben einen Spin und verhalten sich wie kleine Magnete.“ Dabei kann es grundsätzlich auch zu dem Phänomen kommen Bose-Einstein-KondensationDies wurde jedoch noch nicht experimentell beobachtet. Diese Demonstration ist jetzt mit einer ultrakalten Wolke aus Rubidiumatomen möglich.“
Zur Herstellung eines Bose-Einstein-Kondensats wird üblicherweise die sogenannte Verdunstungskühlung eingesetzt. Diese Arbeit ähnelt dem Abkühlen von Kaffee in einer Tasse durch Anblasen.
Die schnellsten Atome an der Oberfläche des Kaffees werden weggeblasen und man wartet, bis die verbleibenden Atome bei kühlerer Temperatur zur Ruhe kommen. Das ist für einen Spin äußerst schwierig, deshalb wählten Heidelberger Physiker eine andere Methode.
Dr. Maximilian Prüfer sagte: „Wir haben das System fernab des Gleichgewichts initialisiert und gewartet, bis die Rubidiumatome einen neuen Gleichgewichtszustand erreicht haben. Was zunächst weniger intuitiv schien, erwies sich als äußerst effizient.“
Die Wissenschaftler verwendeten spezielle Erkennungs- und Störungstechniken, die speziell für die Entstehung und Verfolgung dieses Zustands entwickelt wurden. Sie stellten fest, dass mit dem Bewegungsfreiheitsgrad auch der Spin supraflüssig wurde. Es gibt also zwei Möglichkeiten, wie magnetische Quantenflüssigkeiten äußerst flüssig werden können.
Markus Oberthaler, Leiter der Forschungsgruppe „Synthetische Quantensysteme“, die auch Teil des Exzellenzclusters STRUCTURES der Universität Heidelberg ist, sagte, „Mit unseren neuen Forschungsmethoden können wir nicht nur das Kondensat charakterisieren, sondern auch den Weg vom Ungleichgewicht in diesen Zustand besser verstehen.“
Journal Referenz:
- Prüfer, M., Spitz, D., Lannig, S. et al. Kondensation und Thermalisierung eines Easy-Plane-Ferromagneten in einem Spinor-Bose-Gas. Nat. Physik. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01779-6
