Suprafestkörper, ein paradoxer Materiezustand, der sowohl starr wie ein Kristall als auch reibungslos fließen kann, zeigten kürzlich bei der Erforschung dipolarer Quantengase neue Quanteneigenschaften. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Francesca Feriano untersuchte, wie die festen und supraflüssigen Eigenschaften von Suprafestkörpern unter dem Einfluss von Rotation interagieren. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Während des Experiments nutzte das Forschungsteam Magnetfelder, um die Rotation eines suprafesten Quantengases präzise zu steuern. Dabei beobachtete das Team, dass die suprafesten Quantentröpfchen eine periodische, kristalline Anordnung bildeten. Jedes Tröpfchen präzedierte, während das externe Magnetfeld rotierte, und als Wirbel in das System eintraten, synchronisierten sich Präzession und Rotation. „Suprafeste Kristalle rotieren nicht zufällig“, bemerkte Elena Polly, die die theoretische Modellierung leitete. „Sobald sich Quantenwirbel bilden, entwickelt die gesamte Struktur einen Rhythmus mit dem externen Magnetfeld.“ Auch Andrea Litvinov, die das Experiment leitete, war begeistert, dass das gesamte System, sobald die Daten mit der Theorie übereinstimmten, „plötzlich in einen Rhythmus zu fallen“ schien.

Synchronisation ist in der Natur weit verbreitet, und das Innsbrucker Team hat gezeigt, dass selbst exotische Quantenmaterie Synchronisation erreichen kann. Diese Entdeckung vertieft nicht nur unser Verständnis dieses ungewöhnlichen Materiezustands, der Suprafestkörper, sondern eröffnet auch einen neuen Ansatz zur Erforschung von Quantensystemen. Durch die Verfolgung der Synchronisation gelang es dem Forschungsteam, die kritische Frequenz zu bestimmen, bei der Wirbel auftreten – eine grundlegende und schwer direkt messbare Eigenschaft rotierender Quantenflüssigkeiten. Durch die Kombination fortschrittlicher Simulationstechniken mit Präzisionsexperimenten nutzte das Forschungsteam eine „magnetische Rührtechnik“, um den Suprafestkörper zu rotieren und seine Entwicklung mit hoher Präzision zu erfassen.

Die Forschung hat weitreichende Auswirkungen über den Laborbetrieb hinaus. Ähnliche Wirbeldynamiken wurden bereits in kosmischen Objekten wie Neutronensternen beobachtet, und Suprafestkörper könnten neue Wege zur Erforschung kosmischer Phänomene eröffnen. „Suprafestkörper eignen sich hervorragend zur Erforschung von Problemen, die sonst unerreichbar wären“, betonte Pauli. „Obwohl sie in Laboren im Mikrometerbereich hergestellt werden, könnte ihr Verhalten kosmische Phänomene widerspiegeln.“

Weitere Informationen: „Synchronization in a rotating supersolid“, Nature Physics (2025). Zeitschrifteninformationen: Nature Physics