Was kaum denkbar ist, macht die Quantenphysik möglich: Ein extrem kaltes Gas verhält sich wie eine perfekte Flüssigkeit und ein Kristall zugleich. Obendrein ist es magnetisch wie Eisen.

Ein neuartiger Materiezustand, den Wissenschaftler von der Universität Stuttgart hergestellt haben, vereint die Eigenschaften von Gasen, Kristallen und Supraflüssigkeiten und zeigt ein starkes magnetisches Verhalten. Es handelt sich um eine suprafluide Quantenflüssigkeit aus magnetischen Atomen, die ohne jegliche Reibung fließen kann und sich in einem Magnetfeld wie ein herkömmliches Ferrofluid verhält. Über die Eigenschaften der seltsamen Materieform berichten Tilman Pfau und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“.

Herkömmliche Ferrofluide bestehen aus unzähligen winzigen ferromagnetischen Eisenpartikeln, die in Öl oder Wasser gelöst sind. Eine Oberflächenbeschichtung sorgt dafür, dass die Teilchen nicht miteinander verklumpen können. Bringt man ein Ferrofluid in ein Magnetfeld, so richten die Teilchen ihre magnetischen Momente wie Eisenfeilspäne längs der Magnetfeldlinien aus. Das Ferrofluid stellt sich auf die wirkenden Kräfte - die Schwerkraft, die magnetische Kraft und die Oberflächenspannung - ein und nimmt schließlich einen Zustand an, in dem diese Kräfte im Gleichgewicht sind. Dabei bleibt es stets flüssig.

Magnetische Flüssigkeit bekommt Stacheln

Ist das Magnetfeld stark genug, kommt es zur Rosensweig-Instabilität - benannt nach ihrem Entdecker, dem amerikanischen Ingenieur Ronald Rosensweig. Infolge der Magnetisierung wird das einwirkende Feld an einigen Stellen so verstärkt, dass sich dort bevorzugt Material ansammelt. Es bilden sich längs der Feldlinien regelmäßig angeordnete Stacheln, was der ursprünglich glatten Oberfläche des Ferrofluids eine bizarre igelförmige Struktur verleiht. Zudem zerfällt eine dünne ferrofluide Schicht bei Kontakt mit einer flüssigkeitsabweisenden Oberfläche in regelmäßig angeordnete Tröpfchen. Diese Erscheinungsform der Rosensweig-Instabilität haben die Forscher um Tilman Pfau auch bei ihrem neuen Materiezustand beobachtet.

Bei ihrem Experiment haben die Forscher um Tilman Pfau ein pfannkuchenförmiges Wölkchen aus etwa 15.000 Dysprosiumatomen in einer Atomfalle isoliert und bis knapp über dem absoluten Temperaturnullpunkt gekühlt. Unter diesen extremen Bedingungen verloren die einzelnen Atome ihren Teilchencharakter, und es begannen die Welleneigenschaften zu dominieren. Die Atome kondensierten schließlich in einem gemeinsamen makroskopischen Quantenzustand niedrigster Energie. Es bildete sich ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat. Dieses verhielt sich wie eine Supraflüssigkeit, in der sich Atome völlig reibungsfrei bewegen.

Ein Gas wird zum Suprakristall

Da Dysprosium das magnetischste aller Elemente ist, trug jedes Atom im Kondensat auch ein ungewöhnlich großes magnetisches Moment. Die Forscher um Pfau legten ein Magnetfeld an und richteten die magnetischen Momente senkrecht zur Pfannkuchenebene aus. Die magnetisierten Atome stießen sich wie nebeneinanderliegende, gleich orientierte Stabmagnete ab. In diesem Zustand bildeten die Dysprosiumatome gewissermaßen ein stark magnetisiertes Ferrosuprafluid.

Als die Forscher das angelegte Magnetfeld in einer bestimmten Weise variierten, beobachteten sie eine Rosensweig-Instabilität. Das Kondensat zerfiel in mehrere kleinere, jeweils einen Mikrometer große Wölkchen, die sich in Form eines Bienenwabenmusters anordneten. Die Atomwölkchen bildeten ähnlich wie die Tröpfchen eines Ferrofluids eine zweidimensionale Kristallstruktur.

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Vorausgesetzt, die Dysprosiumatome können sich nun auch weiterhin reibungsfrei umherbewegen, hätten die Forscher um Pfau einen suprafluiden Kristall oder eine kristalline Supraflüssigkeit geschaffen. Nach diesem Suprakristall suchen die Wissenschaftler schon seit längerem. Vor einigen Jahren glaubte man, ihn in Form eines Heliumkristalls gefunden zu haben, was sich allerdings nicht bewahrheitete. Weitere Experimente sollen nun zeigen, ob das kristallförmige Kondensat sich wirklich wie eine Supraflüssigkeit verhält.