Quantenwirbel sind ein starker Hinweis auf Suprafluidität

Ein Team von Quantenphysikern aus Innsbruck, Österreich, unter der Leitung der dreifachen ERC-Preisträgerin Francesca Ferlaino hat eine neue Methode entwickelt, um Wirbel in dipolaren Quantengasen zu beobachten. Diese Quantenwirbel gelten als starker Hinweis auf Suprafluidität, das reibungslose Fließen eines Quantengases, und wurden nun erstmals in dipolaren Gasen experimentell nachgewiesen.

Wirbel sind in der Natur allgegenwärtig: Aufwirbelndes Wasser kann Strudel erzeugen. Wenn die Atmosphäre aufgewirbelt wird, können riesige Tornados entstehen. Dies ist auch in der Quantenwelt der Fall, nur dass dort viele identische Wirbel gleichzeitig gebildet werden – der Wirbel ist quantisiert. In vielen Quantengasen wurden solche quantisierten Wirbel bereits nachgewiesen.

„Das ist interessant, weil solche Wirbel ein deutlicher Hinweis auf die reibungslose Strömung eines Quantengases sind – die sogenannte Suprafluidität“, sagt Francesca Ferlaino vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation an der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Ferlaino und ihr Team erforschen Quantengase aus stark magnetischen Elementen. Für solche dipolaren Quantengase, in denen Atome stark miteinander verbunden sind, konnten Quantenwirbel bisher nicht nachgewiesen werden. Wissenschaftler haben eine neue Methode entwickelt: „Wir nutzen die Direktionalität unseres Quantengases Dysprosium, dessen Atome sich wie viele kleine Magnete verhalten, um das Gas zu rühren“, erklärt Manfred Mark aus dem Team von Francesca Ferlaino.

Dazu legen die Wissenschaftler ein Magnetfeld so an ihr Quantengas an, dass dieses zunächst runde, pfannkuchenförmige Gas durch Magnetostriktion elliptisch verformt wird. Diese ebenso einfache wie wirkungsvolle Idee entstand vor einigen Jahren aus einem theoretischen Vorschlag des theoretischen Teams der Newcastle University unter der Leitung von Nick Parker, dem auch Thomas Bland, der Zweitautor der Veröffentlichung, angehörte.

„Indem wir das Magnetfeld drehen, können wir das Quantengas drehen“, erklärt Lauritz Klaus, Erstautor der aktuellen Arbeit. „Dreht es sich schnell genug, dann bilden sich im Quantengas kleine Wirbel. So versucht das Gas, den Drehimpuls auszugleichen.“ Bei ausreichend hohen Rotationsgeschwindigkeiten bilden sich entlang des Magnetfelds eigentümliche Wirbelstreifen. Diese sind eine besondere Eigenschaft dipolarer Quantengase und wurden nun erstmals an der Universität Innsbruck, Österreich, beobachtet.

Die neue Methode, jetzt vorgestellt in Naturphysik, wird verwendet, um Suprafluidität in superfesten Zuständen zu untersuchen, in denen Quantenmaterie gleichzeitig fest und flüssig ist. „Es ist in der Tat immer noch eine große offene Frage, wie stark die neu entdeckten superfesten Zustände supraflüssig sind, und diese Frage ist bis heute noch sehr wenig untersucht.“