Zukunft Forschung 01/2023

TITELTHEMA
TITELTHEMA
IM JAHR 2021 untersuchte
das Team um Francesca Ferlaino
detailliert den Lebenszyklus
von suprafesten Zuständen in
einem dipolaren Gas von Dysprosium-Atomen.
Unerwarteter
Weise beobachteten die
Physiker:innen dabei, dass ein
Temperaturanstieg die Entstehung
von suprafesten Strukturen
fördert. Gemeinsam mit
der dänischen Theoriegruppe
um Thomas Pohl (Aarhus
University) entwickelten die
Inns brucker Forscher:innen
ein theoretisches Modell, dass
die experimentellen Ergebnisse
erklären kann und die
These unterstreicht, dass ein
Erwärmen der Quantenflüssigkeit
zur Ausbildung eines
Quantenkristalls führen kann.
Die Arbeit wurde 2023 in
Nature Communications veröffentlicht.
Erbium und Dysprosium mögen zwar relativ
selten sein, für Francesca Ferlaino
spielen sie aber die Hauptrolle. Im Gegensatz
zu den Alkalimetallen Natrium und
Rubidium, mit denen vor rund 30 Jahren die
ersten Quantengase erzeugt wurden, sind die
zwei Metalle der Seltenen Erden komplexer:
Ihre Atome haben viele Elektronen in ihren
äußeren Schalen und sind noch dazu magnetisch.
Dachte man anfangs, dass diese Eigenschaften
das quantenphysikalische Arbeiten
mit ihnen erschweren würde, zeigt sich, dass
dem nicht unbedingt so ist. Erbium und Dysprosium
lassen sich sogar leichter abkühlen
als Alkali- oder Erdalkaliatome – ein zentraler
Punkt für die Forschungen der Inns brucker
Quantenphysikerin.
Um Atome zu kontrollieren, um mit ihnen
Experimente durchzuführen, wird als erster
Schritt in einer speziellen Apparatur das gewünschte
Element mit der jeweils benötigten
Hitze, die von Raumtemperatur bis zu 1.100
Grad Celsius reichen kann, verdampft. Dabei
bildet sich eine Wolke aus hunderttausenden
Atomen. In der Folge streuen Laserstrahlen
Photonen auf die Atome, diese „schlucken“
die Photonen und emittieren sie wieder. Dabei
geben die Atome Energie an das Photon ab
– und kühlen dadurch ab. Immer mehr und
immer mehr Richtung dem absoluten Nullpunkt
von Null Kelvin (−273,15 °C). „Eigentlich
sollten Atome bei diesen Temperaturen
kein Gas mehr bilden, sondern Festkörper“,
sagt Ferlaino. Zudem sind die einzelnen
Atome keine Teilchen mehr, sondern Wellen.
Werden Teilchen nun so weit gekühlt, dass
die quantenmechanischen Wellenfunktionen
der Teilchen zu überlappen beginnen, spricht
man von einem Quantengas. Schwingen alle
quantenmechanischen Wellenfunktionen der
Einzelteilchen in perfektem Gleichtakt, entsteht
ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC).
2012 erzeugte Ferlainos Arbeitsgruppe
das weltweit erste BEC aus rund 70. 000 Erbium-Atomen,
2016 gelang ihr die erste dipolare
Quantenmischung aus Erbium und
Dysprosium. Diese Quantengase bilden seither
die Basis für Ferlainos Experimente und
Forschungen, eignen sie sich doch sehr gut,
Eigenschaften der Materie im Detail zu untersuchen
sowie Effekte zu simulieren, die in der
Alltagswelt nicht beobachtet werden können.
Suprafluid & suprasolid
2019 etwa fand ihre Forschungsgruppe – so
wie Teams aus Pisa und Stuttgart – erstmals
Hinweise für Suprasolidität in ultrakalten Erbium-
und Dysprosiumgasen. Suprasolidität
ist ein paradoxer Zustand, in dem die Materie
sowohl supraflüssige als auch kristalline
Eigenschaften besitzt. Die Teilchen sind wie in
einem Kristall regelmäßig angeordnet, bewegen
sich aber gleichzeitig ohne Reibung. Für
das Magazin Physics zählte die Entdeckung
von suprasoliden Zuständen zu einem der
zehn wichtigsten Highlights des Jahres 2019.
Zwei Jahre später erzeugten die Inns brucker
Forscher:innen das erste zweidimensionale suprasolide
System. 2022 zeigte Ferlaino gemeinsam
mit ihrem Institutskollegen Russell Bisset,
wie ein atomares Gas zu einem kreisförmigen
Suprafestkörper abgekühlt werden kann.
Ebenfalls 2022 konnte ihr Team Quanten-Wirbel
in einem dipolaren Quantengas beobachten
– diese ultrakalten Mini-Tornados gelten
als eindeutiger Hinweis für Suprafluidität, das
reibungsfreie Strömen eines Quantengases.
Schon im Jahr 2021 hatten die Inns brucker
Physiker:innen gemeinsam mit Kolleg:innen
aus Genf einen Suprafestkörper aus dem
Gleichgewicht gebracht und stießen dabei auf
einen wissenschaftlich interessanten weichen
Festkörper. Überraschenderweise ließ sich der
Vorgang auch umkehren und die Suprafestigkeit
konnte wieder hergestellt werden – und
zwar durch Erwärmung. „Wir haben dieses
Phänomen in unserem Experiment gesehen,
konnten es uns aber nicht erklären. Wir haben
auch überprüft, ob ein technischer Fehler vorlag“,
erinnert sich Ferlaino. Zwei Jahre später
kann sie – gemeinsam mit Physiker:innen um
den Theoretiker Thomas Pohl von der University
Aarhus – die Erklärung für dieses unserer
Alltagswahrnehmung widersprechende Verhalten
liefern. Sie entwickelten und veröffentlichten
in der Fachzeitschrift Nature Communications
ein theoretisches Modell, dass die
experimentellen Ergebnisse erklären kann
und die These unterstreicht, dass ein Erwärmen
der Quantenflüssigkeit zur Ausbildung
eines Quantenkristalls führen kann. Die theoretische
Beschreibung zeigt, dass sich diese
Strukturen mit steigender Temperatur leichter
bilden können.„Mit der neuen Beschreibung
verfügen wir erstmals über ein Phasendiagramm,
das die Entstehung suprafester Zustände
in Abhängigkeit von der Temperatur
zeigt“, sagt Francesca Ferlaino.
Erkenntnisse wie diese sind auch der
Grund, warum für Ferlaino der Begriff Quantensimulation
nicht passend gewählt ist:
„Normalerweise wird etwas simuliert, was
schon bekannt ist. Wir wissen ungefähr, wie
etwas sein wird – wie sich zum Beispiel ein
Flugzeug in starken Turbulenzen verhalten
wird. Das Resultat ist keine totale Überraschung.“
In der Quantenphysik, bei ihren
Experimenten sei das anders: „Wir wissen
manchmal überhaupt nicht, was uns erwartet.
Wir können mit unseren Experimenten aber
Lösungen für Fragen finden – auch wenn die
Antwort eine Überraschung ist“, hält sie fest.
Neutronenstern im Labor
Dennoch können mit Quantensystemen Phänomene
simuliert werden, aktuell widmet
sich Ferlaino einem, das sich – eventuell – in
den unendlichen Weiten des Weltalls abspielt:
im Inneren von Neutronensternen. Die
kugelförmigen Neutronensterne stellen ein
Endstadium in der Sternentwicklung eines
massereichen Sterns dar. „Durch den damit
einhergehenden extremen Masseverlust rotieren
Neutronensterne. Dabei kommt es –
ähnlich einem Leuchtturm – zu regelmäßigen
Lichtemissionen, die wir auf der Erde messen
können“, erklärt die Physikerin. Die anfänglich
extrem hohe Rotation der Neutronensterne
– die höchste bislang gemessene betrug
716 Umdrehungen pro Sekunde – nimmt sukzessive
ab. „Dafür hat die Astrophysik eine
Erklärung. Warum es aber manchmal einen
Sprung in der Rotationsfrequenz gibt, ist bislang
unverstanden“, berichtet Ferlaino. Eine
Vermutung ist, dass das Innere eines Neutronensterns
ähnlich einem Suprafestkörper ist,
in dem sich durch die Rotation Wirbel bilden,
was zu Störungen und in der Folge zu den
Sprüngen in der Rotationsfrequenz führt. Womit
Francesca Ferlaino ins Spiel kommt.
„Wir haben solche ultrakalten Mini-Tornados
in suprafluiden Zuständen nachgewiesen.
Nun wollen wir diese Theorie in einem Suprafestkörper
überprüfen“, gibt sie Einblick in
ihre Arbeit. Gelingt es ihr, gibt sie nicht nur
eine quantenphysikalische Antwort auf eine
astrophysikalische Frage, sondern simuliert in
ihrem Labor auch das Innenleben eines
Sterns.
ah
FRANCESCA FERLAINO
(*1977) studierte Physik in
Neapel, Triest und Florenz.
2007 kam sie als Postdoc und
Lise-Meitner-Stipendiatin nach
Inns bruck, 2014 wurde sie
Professorin an der Universität
Inns bruck und wissenschaftliche
Direktorin am Institut für
Quantenoptik und Quanteninformation
(IQOQI) der Österreichischen
Akademie der Wissenschaften.
Ferlaino und ihre
Arbeitsgruppe sorgen immer
wieder mit Arbeiten auf dem
Gebiet ultrakalter Quantengase
international für Aufmerksamkeit.
Für ihre Arbeit wurde
Ferlaino mehrfach ausgezeichnet.
Nach einem ERC Starting
Grant (2010) und einem ERC
Consolidator Grant (2016)
erhielt sie 2022 mit einem
ERC Advanced Grant die dritte
Spitzenförderung durch den
Europäischen Forschungsrat
(ERC). Der Advanced Grant
ist die höchste europäische
Förderung für etablierte
Wissenschaftler:innen in der
Grundlagenforschung und
mit bis zu 2,5 Millionen Euro
dotiert.
10 zukunft forschung 01/23
Foto: Andreas Friedle (1), Grafik: Aarhus University (1)
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