Wir haben endlich einen funktionierenden Super Solid. Hier ist, warum es wichtig ist.

Stellen Sie sich einen intakten Diamanten vor, dessen Inneres sich reibungslos bewegt, oder einen geformten Eiswürfel, dessen dichter Inhalt mühelos fließt. Diese mögen seltsam, wenn nicht unmöglich erscheinen. Aber für Physiker sind sie nicht weit von etwas entfernt, das sie kürzlich geschaffen haben: einem seltsamen Aggregatzustand, der als Superfeststoff bezeichnet wird.

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler im Labor supersolide in sehr kleinem Maßstab hergestellt. Heute hat eine Gruppe von Physikern den bisher ausgefeiltesten Superfestkörper hergestellt: einen, der in zwei Dimensionen existiert, wie ein Blatt Papier. Sie veröffentlichte ihre Ergebnisse in Natur letzten Mittwoch.

„Es war schon immer ein außergewöhnliches Ziel, [supersolids] in zwei Dimensionen“, sagt Matthew Norcia, Physiker an der Universität Innsbruck in Österreich und Hauptautor der Natur Papier.

Was genau ist ein Supersolid? Im Kern enthält es die Eigenschaften zweier unterschiedlicher Aggregatzustände, eines weltlichen und eines ganz esoterischen.

Der erste dieser Zustände ist ein Festkörper, der eine der banalsten Formen der Materie ist. Die Chancen stehen gut, dass Sie jetzt einen treffen. Für Physiker ist ein Festkörper vor allem deshalb interessant, weil die Atome im Inneren in einer starren Struktur gehalten werden. Daher sieht man normalerweise keine festen Objekte, die wie Wasser fließen.

Aber der zweite ist ein Aggregatzustand, den Sie wahrscheinlich etwas weniger gesehen haben: eine Supraflüssigkeit. Eine Eigenart der Quantenmechanik, eine Supraflüssigkeit ist eine Substanz, die sich wie eine Flüssigkeit ohne Viskosität verhält. Wissenschaftler haben Supraflüssigkeiten entdeckt, indem sie Helium auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt haben. Sie können und werden mühelos an Wänden kriechen oder über Oberflächen gleiten.

Ein Superfeststoff vereint sowohl einen Festkörper als auch ein Suprafluid in einem Paket: ein Festkörper, der wie eine Flüssigkeit ohne Reibung oder Widerstand fließt. Wenn das seltsam klingt, ist es völlig natürlich. Es ist einfach ein Produkt der Quantenmechanik, der besonderen Art der Physik, die den Kosmos in kleinsten Maßstäben regiert.

„Um sich einen Superfeststoff vorzustellen, stellen Sie sich einen Eiswürfel vor, der in flüssiges Wasser getaucht ist, mit einem reibungslosen Wasserfluss durch den Würfel“, schrieb Bruno Labrut-Tolra, ein Physiker an der Sorbonne Paris Nord University in Frankreich, der nicht an dem letzten Artikel beteiligt war, in Natur Nachrichten und Ansichten Begleitet das neue Studium.

Es ist keine ganz neue Idee; Physiker schlagen es seit den 1960er Jahren vor, aber viele Jahrzehnte lang war nicht klar, ob wir einen Superfestkörper auf der Erde schaffen könnten. Erst in den 2010er Jahren begannen Wissenschaftler konkrete Fortschritte bei der Herstellung eines Supersolids im Labor zu machen.

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Zunächst versuchten die Wissenschaftler, in unterkühltem Helium nach Superfeststoffen zu suchen. Superfluide kommen in Helium vor, dessen atomare Eigenschaften es ideal machen, daher schien es logisch, dass man auch dort Supersolids finden könnte. Doch diese Bemühungen müssen noch Früchte tragen.

Später im Jahrzehnt begannen Physiker, sich mit anderen Elementen wie Rubidium und Lanthan zu befassen. Wenn Sie eine kleine Anzahl gasförmiger Atome einfangen und sie auf Bruchteile eines Grades über dem absoluten Nullpunkt (der kältesten möglichen Temperatur auf etwa -460 Grad Fahrenheit) abkühlen, kondensieren sie zu einer ganzen Reihe von „seltsamen Quanten“. Dies nennt man a Bose-Einstein-Kondensat.

Um einen Superfeststoff zu erzeugen, fängt man also damit an, Atome einzufangen, sie dann abzukühlen und dann mit ihren Wechselwirkungen zu spielen. „Wenn Sie sie richtig einstellen und die Form der Falle richtig einstellen, können Sie eine superstarke bekommen“, sagt Norcia, die Hauptautorin.

Dank dieser Methode haben die Forscher im Jahr 2019 angefangen zu erstellen ein einfacher, eindimensionaler Supersolid: im Wesentlichen ein dünnes, geradliniges Supersolid-Rohr.

Das haben Norcia und ihre Kollegen von der Universität Innsbruck und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften nun geschafft. Durch Herumbasteln an dem Gerät, mit dem sie Atome einfangen, und dem Prozess, mit dem sie Atome kondensieren, konnten sie ihren Superfeststoff von einer auf zwei Dimensionen erweitern: von einem kleinen Rohr zu einem kleinen Blatt.

„Diese Demonstration ist ein wichtiger Durchbruch, denn ein direkter Weg, um zu beweisen, dass ein System Suprafluidität aufweist, besteht darin, seine Eigenschaften unter Rotation zu untersuchen“, schreibt Laruthe-Tolra, „und diese Analyse kann nicht durchgeführt werden, wenn das System nicht nur eine Dimension hat.“

Können die Forscher nun, da die Forscher einen zweidimensionalen Superkörper geschaffen haben, einen in drei Dimensionen herstellen? Können sie einen geeigneten Superfeststoff herstellen, den Sie anfassen können?

Wahrscheinlich nicht bald, sagt Norcia, obwohl er sagt, dass dies eine Frage ist, die Physikern durch den Kopf gegangen ist. Derzeit weiß er nicht, wie sie dies mit der Technologie tun würden, die sie haben.

Stattdessen wollen die Forscher vorerst den von ihnen geschaffenen Supersolid untersuchen. Obwohl es ihnen gelungen ist, einen Superfeststoff herzustellen, wissen die Physiker noch so wenig darüber.