Lange gesucht, endlich gefunden

Die andere Gruppe um Tilman Esslinger vom Institut für Quantenelektronik der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich verwendete ebenfalls ein ultrakaltes Bose-Einstein-Kondensat, das die Physiker mit Hilfe von Laserstrahlen in einer optischen Falle einschlossen. Ihr Quantengas bestand allerdings aus supraflüssigen Rubidiumatomen. Der Trick bei ihrem Aufbau: Die kalten Atome befanden sich zusätzlich zwischen extrem guten, exakt parallel ausgerichteten Spiegeln, zwischen denen das Licht 100 000-fach hin und her reflektiert wurde, wobei sich eine stehende Welle ausbildete. Die Zürcher Forscher nutzten nun gleich zwei solche Resonanzkammern, die symmetrisch zur Strahlrichtung eines externen Lasers angeordnet waren.

"Es war eine ziemliche technische Herausforderung, die Spiegel im Ultrahochvakuum geeignet anzuordnen, und benötigte erhebliche Ausdauer", sagt Esslinger. Der Laser regte die Rubidiumatome dann zum Leuchten an. In der doppelten Resonanzkammer bildete sich daraufhin ein Lichtfeld mit stehenden Wellen aus, in dem sich die Rubidiumatome dann regelmäßig wie ein Kristall anordneten. Die Supraflüssigkeit zeigte also die Struktur eines Festkörpers. Trotzdem ließen sich die Atome im Kondensat verschieben – und zwar ohne Energieaufwand, wie es bei Supraflüssigkeiten, nicht aber bei Festkörpern üblich ist.

"Es war eine technische Herausforderung, die Spiegel im Ultrahochvakuum geeignet anzuordnen" (Tilman Esslinger, ETH Zürich)

Andere Forscher, die die neuen Ergebnisse begutachtet haben, sind zuversichtlich, dass der ungewöhnliche suprasolide Quantenzustand nun endlich nachgewiesen wurde. "Neben dem besseren Verständnis von Suprafestkörpern ermöglichen die neuen experimentellen Techniken auch Fortschritte in anderen Gebieten", kommentiert Kaden Hazzard, der an den Studien nicht beteiligt war, die Entdeckungen.

Dabei ist die Forschung zu Suprafestkörpern auch ein Lehrstück für das Auf und Ab auf dem Weg zu wissenschaftlicher Erkenntnis. So hatten bereits 2004 Moses Chan von der Pennsylvania State University und sein Student Eun-Seong Kim Experimente mit ultrakaltem Helium durchgeführt. Die beiden hatten Hinweise auf einen suprasoliden Zustand gefunden und diese in einer Studie publiziert.

Andere Forscher hatten jedoch Schwierigkeiten, diese Ergebnisse zu reproduzieren. Sie äußerten den Verdacht, es habe gar keine suprasolide Phase vorgelegen, sondern Fehlstellen am Helium hätten diesen Eindruck fälschlich hervorgerufen. Chan untersuchte sein System daraufhin nochmals eingehend, entdeckte die Schwachstelle und publizierte darüber sogar eine neue Studie.

Als Werkstoff für die Industrie taugen die hochsensiblen Suprafestkörper jedoch vorerst nicht. Die untersuchten Natrium- und Rubidiumkondensate bestehen gerade einmal aus höchstens einigen 100 000 Atomen. Forscher weltweit erhoffen sich vom Studium dieser exotischen Materiezustände aber Aufschluss über zahlreiche andere ungewöhnliche Quanteneffekte. So wurde der Physiknobelpreis 2016 für die theoretische Untersuchung topologischer Materiezustände vergeben, bei denen ebenfalls besondere Quanteneffekte eine Rolle spielen.

Die Auszeichnung ging unter anderem an David Thouless, der bereits 1969 ebenso wie Alexander Andrejew und Jewgeni Lifschitz die Existenz von Suprafestkörpern vorhergesagt hatte. "Mit den nun entwickelten Methoden wollen wir jetzt andere neue Materialien entdecken", sagt Wolfgang Ketterle. Mittelfristig, in 10 bis 20 Jahren, könnte dies dann auch die Materialforschung beeinflussen und zu ganz neuen Werkstoffen führen.