Zukunft Forschung 01/2023
Das Forschungsmagazin der Universität Innsbruck
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TITELTHEMA<br />
TITELTHEMA<br />
IM JAHR 2021 untersuchte<br />
das Team um Francesca Ferlaino<br />
detailliert den Lebenszyklus<br />
von suprafesten Zuständen in<br />
einem dipolaren Gas von Dysprosium-Atomen.<br />
Unerwarteter<br />
Weise beobachteten die<br />
Physiker:innen dabei, dass ein<br />
Temperaturanstieg die Entstehung<br />
von suprafesten Strukturen<br />
fördert. Gemeinsam mit<br />
der dänischen Theoriegruppe<br />
um Thomas Pohl (Aarhus<br />
University) entwickelten die<br />
Inns brucker Forscher:innen<br />
ein theoretisches Modell, dass<br />
die experimentellen Ergebnisse<br />
erklären kann und die<br />
These unterstreicht, dass ein<br />
Erwärmen der Quantenflüssigkeit<br />
zur Ausbildung eines<br />
Quantenkristalls führen kann.<br />
Die Arbeit wurde <strong>2023</strong> in<br />
Nature Communications veröffentlicht.<br />
Erbium und Dysprosium mögen zwar relativ<br />
selten sein, für Francesca Ferlaino<br />
spielen sie aber die Hauptrolle. Im Gegensatz<br />
zu den Alkalimetallen Natrium und<br />
Rubidium, mit denen vor rund 30 Jahren die<br />
ersten Quantengase erzeugt wurden, sind die<br />
zwei Metalle der Seltenen Erden komplexer:<br />
Ihre Atome haben viele Elektronen in ihren<br />
äußeren Schalen und sind noch dazu magnetisch.<br />
Dachte man anfangs, dass diese Eigenschaften<br />
das quantenphysikalische Arbeiten<br />
mit ihnen erschweren würde, zeigt sich, dass<br />
dem nicht unbedingt so ist. Erbium und Dysprosium<br />
lassen sich sogar leichter abkühlen<br />
als Alkali- oder Erdalkaliatome – ein zentraler<br />
Punkt für die <strong>Forschung</strong>en der Inns brucker<br />
Quantenphysikerin.<br />
Um Atome zu kontrollieren, um mit ihnen<br />
Experimente durchzuführen, wird als erster<br />
Schritt in einer speziellen Apparatur das gewünschte<br />
Element mit der jeweils benötigten<br />
Hitze, die von Raumtemperatur bis zu 1.100<br />
Grad Celsius reichen kann, verdampft. Dabei<br />
bildet sich eine Wolke aus hunderttausenden<br />
Atomen. In der Folge streuen Laserstrahlen<br />
Photonen auf die Atome, diese „schlucken“<br />
die Photonen und emittieren sie wieder. Dabei<br />
geben die Atome Energie an das Photon ab<br />
– und kühlen dadurch ab. Immer mehr und<br />
immer mehr Richtung dem absoluten Nullpunkt<br />
von Null Kelvin (−273,15 °C). „Eigentlich<br />
sollten Atome bei diesen Temperaturen<br />
kein Gas mehr bilden, sondern Festkörper“,<br />
sagt Ferlaino. Zudem sind die einzelnen<br />
Atome keine Teilchen mehr, sondern Wellen.<br />
Werden Teilchen nun so weit gekühlt, dass<br />
die quantenmechanischen Wellenfunktionen<br />
der Teilchen zu überlappen beginnen, spricht<br />
man von einem Quantengas. Schwingen alle<br />
quantenmechanischen Wellenfunktionen der<br />
Einzelteilchen in perfektem Gleichtakt, entsteht<br />
ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC).<br />
2<strong>01</strong>2 erzeugte Ferlainos Arbeitsgruppe<br />
das weltweit erste BEC aus rund 70. 000 Erbium-Atomen,<br />
2<strong>01</strong>6 gelang ihr die erste dipolare<br />
Quantenmischung aus Erbium und<br />
Dysprosium. Diese Quantengase bilden seither<br />
die Basis für Ferlainos Experimente und<br />
<strong>Forschung</strong>en, eignen sie sich doch sehr gut,<br />
Eigenschaften der Materie im Detail zu untersuchen<br />
sowie Effekte zu simulieren, die in der<br />
Alltagswelt nicht beobachtet werden können.<br />
Suprafluid & suprasolid<br />
2<strong>01</strong>9 etwa fand ihre <strong>Forschung</strong>sgruppe – so<br />
wie Teams aus Pisa und Stuttgart – erstmals<br />
Hinweise für Suprasolidität in ultrakalten Erbium-<br />
und Dysprosiumgasen. Suprasolidität<br />
ist ein paradoxer Zustand, in dem die Materie<br />
sowohl supraflüssige als auch kristalline<br />
Eigenschaften besitzt. Die Teilchen sind wie in<br />
einem Kristall regelmäßig angeordnet, bewegen<br />
sich aber gleichzeitig ohne Reibung. Für<br />
das Magazin Physics zählte die Entdeckung<br />
von suprasoliden Zuständen zu einem der<br />
zehn wichtigsten Highlights des Jahres 2<strong>01</strong>9.<br />
Zwei Jahre später erzeugten die Inns brucker<br />
Forscher:innen das erste zweidimensionale suprasolide<br />
System. 2022 zeigte Ferlaino gemeinsam<br />
mit ihrem Institutskollegen Russell Bisset,<br />
wie ein atomares Gas zu einem kreisförmigen<br />
Suprafestkörper abgekühlt werden kann.<br />
Ebenfalls 2022 konnte ihr Team Quanten-Wirbel<br />
in einem dipolaren Quantengas beobachten<br />
– diese ultrakalten Mini-Tornados gelten<br />
als eindeutiger Hinweis für Suprafluidität, das<br />
reibungsfreie Strömen eines Quantengases.<br />
Schon im Jahr 2021 hatten die Inns brucker<br />
Physiker:innen gemeinsam mit Kolleg:innen<br />
aus Genf einen Suprafestkörper aus dem<br />
Gleichgewicht gebracht und stießen dabei auf<br />
einen wissenschaftlich interessanten weichen<br />
Festkörper. Überraschenderweise ließ sich der<br />
Vorgang auch umkehren und die Suprafestigkeit<br />
konnte wieder hergestellt werden – und<br />
zwar durch Erwärmung. „Wir haben dieses<br />
Phänomen in unserem Experiment gesehen,<br />
konnten es uns aber nicht erklären. Wir haben<br />
auch überprüft, ob ein technischer Fehler vorlag“,<br />
erinnert sich Ferlaino. Zwei Jahre später<br />
kann sie – gemeinsam mit Physiker:innen um<br />
den Theoretiker Thomas Pohl von der University<br />
Aarhus – die Erklärung für dieses unserer<br />
Alltagswahrnehmung widersprechende Verhalten<br />
liefern. Sie entwickelten und veröffentlichten<br />
in der Fachzeitschrift Nature Communications<br />
ein theoretisches Modell, dass die<br />
experimentellen Ergebnisse erklären kann<br />
und die These unterstreicht, dass ein Erwärmen<br />
der Quantenflüssigkeit zur Ausbildung<br />
eines Quantenkristalls führen kann. Die theoretische<br />
Beschreibung zeigt, dass sich diese<br />
Strukturen mit steigender Temperatur leichter<br />
bilden können.„Mit der neuen Beschreibung<br />
verfügen wir erstmals über ein Phasendiagramm,<br />
das die Entstehung suprafester Zustände<br />
in Abhängigkeit von der Temperatur<br />
zeigt“, sagt Francesca Ferlaino.<br />
Erkenntnisse wie diese sind auch der<br />
Grund, warum für Ferlaino der Begriff Quantensimulation<br />
nicht passend gewählt ist:<br />
„Normalerweise wird etwas simuliert, was<br />
schon bekannt ist. Wir wissen ungefähr, wie<br />
etwas sein wird – wie sich zum Beispiel ein<br />
Flugzeug in starken Turbulenzen verhalten<br />
wird. Das Resultat ist keine totale Überraschung.“<br />
In der Quantenphysik, bei ihren<br />
Experimenten sei das anders: „Wir wissen<br />
manchmal überhaupt nicht, was uns erwartet.<br />
Wir können mit unseren Experimenten aber<br />
Lösungen für Fragen finden – auch wenn die<br />
Antwort eine Überraschung ist“, hält sie fest.<br />
Neutronenstern im Labor<br />
Dennoch können mit Quantensystemen Phänomene<br />
simuliert werden, aktuell widmet<br />
sich Ferlaino einem, das sich – eventuell – in<br />
den unendlichen Weiten des Weltalls abspielt:<br />
im Inneren von Neutronensternen. Die<br />
kugelförmigen Neutronensterne stellen ein<br />
Endstadium in der Sternentwicklung eines<br />
massereichen Sterns dar. „Durch den damit<br />
einhergehenden extremen Masseverlust rotieren<br />
Neutronensterne. Dabei kommt es –<br />
ähnlich einem Leuchtturm – zu regelmäßigen<br />
Lichtemissionen, die wir auf der Erde messen<br />
können“, erklärt die Physikerin. Die anfänglich<br />
extrem hohe Rotation der Neutronensterne<br />
– die höchste bislang gemessene betrug<br />
716 Umdrehungen pro Sekunde – nimmt sukzessive<br />
ab. „Dafür hat die Astrophysik eine<br />
Erklärung. Warum es aber manchmal einen<br />
Sprung in der Rotationsfrequenz gibt, ist bislang<br />
unverstanden“, berichtet Ferlaino. Eine<br />
Vermutung ist, dass das Innere eines Neutronensterns<br />
ähnlich einem Suprafestkörper ist,<br />
in dem sich durch die Rotation Wirbel bilden,<br />
was zu Störungen und in der Folge zu den<br />
Sprüngen in der Rotationsfrequenz führt. Womit<br />
Francesca Ferlaino ins Spiel kommt.<br />
„Wir haben solche ultrakalten Mini-Tornados<br />
in suprafluiden Zuständen nachgewiesen.<br />
Nun wollen wir diese Theorie in einem Suprafestkörper<br />
überprüfen“, gibt sie Einblick in<br />
ihre Arbeit. Gelingt es ihr, gibt sie nicht nur<br />
eine quantenphysikalische Antwort auf eine<br />
astrophysikalische Frage, sondern simuliert in<br />
ihrem Labor auch das Innenleben eines<br />
Sterns.<br />
ah<br />
FRANCESCA FERLAINO<br />
(*1977) studierte Physik in<br />
Neapel, Triest und Florenz.<br />
2007 kam sie als Postdoc und<br />
Lise-Meitner-Stipendiatin nach<br />
Inns bruck, 2<strong>01</strong>4 wurde sie<br />
Professorin an der Universität<br />
Inns bruck und wissenschaftliche<br />
Direktorin am Institut für<br />
Quantenoptik und Quanteninformation<br />
(IQOQI) der Österreichischen<br />
Akademie der Wissenschaften.<br />
Ferlaino und ihre<br />
Arbeitsgruppe sorgen immer<br />
wieder mit Arbeiten auf dem<br />
Gebiet ultrakalter Quantengase<br />
international für Aufmerksamkeit.<br />
Für ihre Arbeit wurde<br />
Ferlaino mehrfach ausgezeichnet.<br />
Nach einem ERC Starting<br />
Grant (2<strong>01</strong>0) und einem ERC<br />
Consolidator Grant (2<strong>01</strong>6)<br />
erhielt sie 2022 mit einem<br />
ERC Advanced Grant die dritte<br />
Spitzenförderung durch den<br />
Europäischen <strong>Forschung</strong>srat<br />
(ERC). Der Advanced Grant<br />
ist die höchste europäische<br />
Förderung für etablierte<br />
Wissenschaftler:innen in der<br />
Grundlagenforschung und<br />
mit bis zu 2,5 Millionen Euro<br />
dotiert.<br />
10 zukunft forschung <strong>01</strong>/23<br />
Foto: Andreas Friedle (1), Grafik: Aarhus University (1)<br />
zukunft forschung <strong>01</strong>/23 11