Quantenrätsel Suprafeststoff: Graphen hilft bei der Lösung
Fest und flüssig zugleich? Forschende beobachten bei Graphen einen ungewöhnlichen Übergang zwischen Suprafluid und Isolator.
Illustration der Anordnung von Exzitonen zu einem festen Muster in doppelschichtigem Graphen. Das Material liefert die Antwort zu einem alten Quantenrätsel.
Foto: Cory Dean, Columbia University
Wenn Materie abkühlt, ist der Ablauf vertraut: Gas wird flüssig, Flüssigkeit wird fest. In der Welt der Quanten gelten andere Regeln. Dort können Zustände entstehen, die klassische Kategorien sprengen. Ein bekanntes Beispiel ist das Suprafluid. Es fließt ohne Reibung und ignoriert scheinbar jede innere Bremse. Physikerinnen und Physiker kennen dieses Verhalten seit gut 100 Jahren, vor allem aus Experimenten mit Helium.
Doch seit rund 50 Jahren treibt die Forschung eine weitergehende Frage um: Was passiert, wenn man ein Suprafluid noch stärker abkühlt? Theoretisch müsste dann ein Zustand entstehen, der zugleich fest und flüssig ist. Ein sogenannter Suprafeststoff, auf Englisch Supersolid. Vorhergesagt wurde er, gesehen wurde er lange nicht.
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Ein überraschender Kandidat
Jetzt rückt ein Material in den Fokus, das mit klassischer Kryophysik wenig zu tun hat: Graphen. Ein Forschungsteam um Cory Dean von der Columbia University und Jia Li von der University of Texas at Austin berichtet in Nature von einem Verhalten, das genau zu diesem lange gesuchten Zustand passt.
Graphen besteht aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen. Dünner geht es kaum. Gleichzeitig lässt sich das Material sehr fein kontrollieren. Temperatur, elektrische Felder, Magnetfelder oder der Abstand zwischen zwei Lagen – all das können Forschende gezielt verändern. Genau diese Flexibilität macht Graphen so interessant für die Quantenphysik.
Exzitonen übernehmen die Hauptrolle
Der Schlüssel zum Experiment sind Exzitonen. Das sind gebundene Paare aus Elektronen und sogenannten Löchern, also den Stellen, an denen ein Elektron fehlt. In zweilagigem Graphen lassen sich Elektronen in der einen Schicht und Löcher in der anderen anreichern. Treffen beide aufeinander, koppeln sie sich zu Exzitonen.
Unter einem starken Magnetfeld beginnen diese Quasiteilchen, sich kollektiv zu verhalten. Sie bilden ein Suprafluid, das sich verlustfrei durch das Material bewegt. So weit, so bekannt. Spannend wurde es, als das Team an den Stellschrauben drehte.
Stillstand bei Kälte
Bei hoher Dichte verhielten sich die Exzitonen wie erwartet: Sie flossen. Verringerte das Team jedoch die Dichte, kam die Bewegung plötzlich zum Erliegen. Das System wurde isolierend. Erhöhten die Forschenden anschließend die Temperatur, setzte die Suprafluidität wieder ein.
„Zum ersten Mal haben wir beobachtet, wie ein Suprafluid einen Phasenübergang durchläuft und zu etwas wird, das wie ein Suprafeststoff aussieht“, sagte Dean. Der Vergleich sei wie Wasser, das zu Eis gefriert – nur eben auf Quantenebene.
Auch Li war überrascht: „Superfluidität wird im Allgemeinen als Grundzustand bei niedrigen Temperaturen angesehen. Die Beobachtung einer isolierenden Phase, die zu einer Superfluidität schmilzt, ist beispiellos.“
Noch kein endgültiger Beweis
Heißt das nun, der Suprafeststoff ist gefunden? Ganz so weit wollen die Forschenden nicht gehen. Ein echter Suprafeststoff müsste eine feste, periodische Struktur haben und dennoch reibungslos fließen können. Hinweise darauf gibt es, ein direkter Nachweis fehlt noch.
Das liegt auch an den Messmethoden. Das Team untersucht vor allem Transporteigenschaften. Isolierende Zustände lassen sich damit nur eingeschränkt erfassen. „Wir können nur spekulieren“, sagt Dean. „Derzeit entwickeln wir neue Werkzeuge, um diesen Zustand direkt zu messen.“
Warum das Ergebnis trotzdem wichtig ist
Bisher entstanden suprafeste Zustände meist künstlich, etwa in ultrakalten Atomgasen, die mit Lasern in feste Muster gezwungen wurden. Graphen ist anders. Es handelt sich um ein natürliches Kristallmaterial. Der mögliche Suprafeststoff bildet sich spontan, ohne optische Fallen.
Hinzu kommt ein weiterer Vorteil: Exzitonen sind rund tausendmal leichter als Heliumatome. Das erhöht die Chance, dass Quantenphasen wie Suprafluidität oder Supersolidität bei höheren Temperaturen auftreten können. Für Experimente wäre das ein großer Schritt nach vorn.
Ein altes Rätsel rückt näher
Ob Graphen tatsächlich den lange gesuchten Suprafeststoff zeigt, ist noch offen. Doch die Beobachtungen liefern starke Hinweise. Nach Jahrzehnten theoretischer Debatten bekommt eine exotische Quantenphase erstmals ein konkretes, festes Material als Bühne – nur eine Atomlage dick, aber physikalisch erstaunlich reichhaltig.
