von DIRK EIDEMÜLLER
Wenn man sich in das Reich der Quantenphänomene begibt, muss man mit allerhand Überraschungen rechnen: „Quantenkatzen“ sind zugleich tot und lebendig. Teilchen sind nicht einfach nur Teilchen, sondern auch Wellen. Und sie können sich zur selben Zeit an verschiedenen Orten aufhalten. Außerdem können Quantensysteme sogar gleichzeitig unterschiedliche Aggregatzustände haben: fest und flüssig. Solche sogenannten Suprafestkörper sind allerdings keineswegs besonders fest, sondern eine sonderbare Kombination aus einem kristallförmig strukturierten Festkörper und einer Supraflüssigkeit.
Eine Supraflüssigkeit verhält sich analog einem Supraleiter, in dem sich Elektronen ohne elektrischen Widerstand bewegen. So wird Helium bei sehr tiefen Temperaturen supraflüssig und kann dann ohne Reibung auch durch engste Kapillaren fließen. Eine Kreisströmung in einer Supraflüssigkeit vermag sich jahrelang ohne externe Energiezufuhr aufrechterhalten.
Doch wie kann ein System zugleich fest und noch dazu supraflüssig sein? „Das klingt nach einer völlig paradoxen Mischung von Eigenschaften, wie es eben typisch für die Quantenphysik ist“, sagt Francesca Ferlaino. Mit ihrem Team an der Universität Innsbruck arbeitet sie an solchen Quantensystemen. Es handelt sich dabei nicht um Festkörper im herkömmlichen Sinn, sondern um ultrakalte Quantengase. Diese sind Ensembles aus typischerweise rund 100.000 Atomen, die mit Hilfe von Laserstrahlen in einer optischen Falle eingeschlossen und dann mit speziellen Kühltechniken wie Laser- und Verdampfungskühlung auf Temperaturen ganz knapp über den absoluten Temperatur-Nullpunkt gebracht werden.
„Bei derart tiefen Temperaturen können die zunächst gasförmigen Atome besondere Quantenzustände einnehmen“, sagt Ferlaino. Einer davon ist das bereits seit vielen Jahren bekannte Bose-Einstein-Kondensat. Hierbei überlappen sich die Wellenfunktionen der Atome, sodass schließlich alle Atome einen einzigen gemeinsamen Quantenzustand einnehmen. „In einem solchen Bose-Einstein-Kondensat sind alle Atome sozusagen überall zugleich, man kann also nicht mehr von lokalisierten Atomen sprechen, sondern nur noch von Regionen unterschiedlicher Dichte“, sagt die gebürtige Neapolitanerin. Nach dem Studium an der Universität ihrer Heimatstadt wechselte sie an die Universität Innsbruck, wo sie als Professorin für Experimentalphysik arbeitet.
Während die Forschung mit Bose-Einstein-Kondensaten mittlerweile an vielen Instituten weltweit etabliert ist, gibt es nur wenige Gruppen, die in solche Quantengase noch zusätzliche Struktur hineinbringen können. In einem Festkörper haben die Atome einen bestimmten Abstand zueinander. Sie gilt es mit der Supraflüssigkeit in einem fragilen und schwer herzustellenden Quantenzustand zu kombinieren. „Man braucht ganz besonders fein eingestellte Bedingungen und passende Atomsorten, um in einem kalten Quantengas einen Suprafestkörper entstehen zu lassen“, erklärt Manfred Mark. Der gebürtige Innsbrucker arbeitet als Experimentalphysiker in der Forschungsgruppe von Ferlaino.
