Suprasolidität

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Die Suprasolidität ist ein quantenmechanischer Zustand der Materie, der gleichzeitig sowohl Eigenschaften fester als auch suprafluider Körper zeigt. Dieser Zustand wurde bereits 1969 sowohl von David J. Thouless als auch von Alexander Andrejew und Jewgeni Michailowitsch Lifschitz vorausgesagt.[1][2]

Über einen ersten expimentellen Nachweis des suprasoliden Zustands berichteten Eun-Seong Kim und Moses H. W. Chan am Beispiel von ultrakaltem festem Helium-4 (4He).[3][4] Als Chan das Experiment allerdings 2012 mit Dud Kim wiederholte, fanden sie keinen Hinweis auf Suprasolidität[5][6]. Der beobachtete Effekt konnte durch die Änderung der Elastizität des festen Heliums erklärt werden.

Experiment von Chan, Kim[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schematischer Aufbau eines Torsionsoszillators zum Nachweis der Suprasolidität

Die Experimente von Eun-Seong Kim und Moses H. W. Chan an der Pennsylvania State University mit 4He bei Temperaturen unterhalb von 200 mK mit Hilfe eines Torsionsoszillators lieferten einen ersten experimentellen Hinweis auf die Existenz der Suprasolidität. In diesem Experiment bewegte sich 4He bei Abkühlung auf unterhalb von etwa 200 mK nicht mehr wie ein klassischer Feststoff, sondern zeigte eine Rotationsanomalie, welche mit der des suprafluiden 4He vergleichbar ist.[3][4] Paradoxerweise ist mit dem teilweisen Übergang in den suprafluiden Zustand eine Zunahme der Steifigkeit der Materie verbunden.[7] Messungen der spezifischen Wärme am Übergangspunkt zur Rotationsanomalie deuten auf einen echten Phasenübergang.[8]

Nach der Erstveröffentlichung der Beobachtung der Suprasolidität wurden auch andere mögliche Ursachen in den Fachjournalen heftig und kontrovers diskutiert. Eine alternative Erklärung war eine nicht vollständig ausschließbare Verunreinigung mit 3He im ppb-Bereich, die für die Suprafluidität verantwortlich sei[9], während die kristalline Struktur nur in der 4He-Spezies zu finden ist. Ein gleichzeitiges Auftreten beider Phasen (suprafluid und fest) in derselben atomaren Spezies wäre dann nicht gegeben. Schließlich widerlegte die Wiederholung des Experiments 2012 durch Chan die ursprüngliche Erklärung der Beobachtung als Suprasolidität. Der Effekt wurde auf elastisches Verhalten aufgrund von Dislokationen in Heliumkristallen zurückgeführt (sie können sich zwar nicht in den Vycor-Nanoporen bilden, es besteht aber die Möglichkeit dass größere Hohlräume vorhanden sind in denen das möglich ist).[10]

Bose-Einstein-Kondensat[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

2017 berichteten zwei Gruppen über die Realisierung eines Superfestkörpers in einem optischen Gitter ultrakalter Atome (Bose-Einstein-Kondensat), eines von der ETH Zürich, das andere vom MIT (unter Leitung von Wolfgang Ketterle).[11][12][13]

Theorie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kristallfehler (Stufenversetzung)

Als eine mögliche Ursache werden Leerstellen in 4He-Kristallen angesehen. Es wird diskutiert, ob diese Kristallfehler essenziell auch am absoluten Nullpunkt existieren[14] oder ob sie auf experimentell verwendeten imperfekten Kristallen beruhen. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen sind in suprasoliden Körpern wie im Bose-Einstein-Kondensat die Atome durch Überlagerung ihrer Wellenfunktionen und somit auch die Leerstellen im Kristall delokalisiert (Quantenkristall). Die Suprasolidität repräsentiert damit analog zum Bose-Gas und zur Suprafluidität eine Form des Bose-Einstein-Kondensats.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. D. J. Thouless: The flow of a dense superfluid. In: Ann. Phys.. 51, 1969, S. 403-427.
  2. A. F. Andreev, I. M. Lifshitz: Quantum theory of defects in crystals. In: Sov. Phys. JETP. 29, 1969, S. 1107-1113.
  3. a b E. Kim, M. H. Chan: Observation of superflow in solid helium. In: Science. 305, Nr. 5692, September 2004, S. 1941–4. doi:10.1126/science.1101501. PMID 15345778.
  4. a b E. Kim, M. H. Chan: Probable observation of a supersolid helium phase. In: Nature. 427, Nr. 6971, Januar 2004, S. 225–7. doi:10.1038/nature02220. PMID 14724632.
  5. D. Y. Kim, M. H. W. Chan: Absence of Supersolidity in Solid Helium in Porous Vycor Glass". Physical Review Letters, Band 109, 2012, S. 155301. PMID 23102323
  6. Focus: Supersolid Discoverer’s New Experiments Show No Supersolid, APS Physics 2012
  7. J. Day, J. Beamish: Low-temperature shear modulus changes in solid 4He and connection to supersolidity. In: Nature. 450, Nr. 7171, Dezember 2007, S. 853–6. doi:10.1038/nature06383. PMID 18064007.
  8. X. Lin, A. C. Clark, M. H. Chan: Probable heat capacity signature of the supersolid transition. In: Nature. 449, Nr. 7165, Oktober 2007, S. 1025–8. doi:10.1038/nature06228. PMID 17960238.
  9. E. Kim, J. S. Xia, J. T. West, X. Lin, A. C. Clark, M. H. Chan: Effect of 3He impurities on the nonclassical response to oscillation of solid 4He. In: Phys. Rev. Lett.. 100, Nr. 6, Februar 2008, S. 065301. PMID 18352487.
  10. Auf diese Fehlerquelle wiesen zuerst James Day und John Beamish hin. Day, Beamish, Low-Temperature Shear Modulus Changes in Solid 4He and Connection to Supersolidity, Nature, Band 450, 2007, S. 853
  11. Julian Léonard,Andrea Morales, Philip Zupancic,Tilman Esslinger, Tobias Donner: Supersolid formation in a quantum gas breaking a continuous translational symmetry, Nature, Band 543, 2017, S. 87-90
  12. Julia Keller, MIT researchers create new form of matter, MIT News, 2. März 2017
  13. Jun-Ru Li, Jeongwon Lee, Jeongwon, Wujie Huang, Sean Burchesky, Sean, Boris Shteynas, Furkan Çağrı Top, Alan O. Jamison, Wolfgang Ketterle: A stripe phase with supersolid properties in spin–orbit-coupled Bose–Einstein condensates, Nature, Band 543, 2017, S. 91–94
  14. P. W. Anderson: Bose fluids above Tc: incompressible vortex fluids and ‘supersolidity’. In: Phys. Rev. Lett.. 100, 2008, S. 215301.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • A. J. Leggett: Can a Solid be “Superfluid”?, Phys. Rev. Lett. 25, 1543 (1970); doi:10.1103/PhysRevLett.25.1543.
  • G. V. Chester: Speculations on Bose-Einstein Condensation and Quantum Crystals, Phys. Rev. A 2, 256 (1970); doi:10.1103/PhysRevA.2.256.
  • S. Balibar: The enigma of supersolidity. In: Nature. 464, Nr. 7286, März 2010, S. 176–82. doi:10.1038/nature08913. PMID 20220834.
  • N. Prokof’ev: What makes a crystal supersolid?. In: Adv. Phys.. 56, 2007, S. 381–402.
  • S. Balibar, F. Caupin: Supersolidity and disorder. In: J. Phys. Condens. Matter. 20,, 2008, S. 173201.
  • D. E. Galli, L. Reatto: Solid 4He and the supersolid phase: from theoretical speculation to the discovery of a new state of matter? A review of the past and present status of research. In: J. Phys. Soc. Jpn. 77, 2008, S. 111010.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]