Physiker haben zum ersten Mal ein sogenanntes „Wirbel-Antiwirbel-Paar“ experimentell nachgewiesen

Seltsame Zustände können Materialien annehmen, wenn die Umstände passend sind. Da werden Stromleiter unterhalb einer bestimmten Temperatur plötzlich zu Supraleitern – Strom fließt in ihnen ohne jeglichen Widerstand. Und Flüssigkeiten nehmen Eigenschaften an, die Physiker als Superfluidität bezeichnen. Ihr Kennzeichen: Die Flüssigkeit verliert jede innere Reibung, sie dringt reibungsfrei selbst durch engste Kapillaren.

Die physikalischen Effekte, die sich hinter diesen Zuständen verbergen, stammen aus dem Bereich der Quantenphysik: „Mikroskopische Anregungen spielen eine entscheidende Rolle für das Verständnis der makroskopischen physikalischen Eigenschaften dieser Form von Materie, die den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegt. Sie bilden die Grundlage für das Verständnis von Phänomenen wie beispielsweise Supraleitung und Superfluidität“, wie Sven Höfling erklärt.

Sven Höfling ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Technische Physik der Universität Würzburg. In enger Kooperation mit Physikern in Stanford (USA) und Tokio (Japan) ist es den Physikern der Universität Würzburg Andreas Löffler, Sven Höfling und Alfred Forchel jetzt gelungen, eine solche, lang gesuchte mikroskopische Anregung in einem zweidimensionalem Kondensat nachzuweisen: ein Wirbel-Antiwirbel-Paar.

Das Experiment

Ausgangspunkt der Beobachtung war eine „extrem hochqualitative Probe ohne Störungen“, wie Höfling erklärt. Hergestellt wurde diese Probe im Mikrostrukturlabor der Würzburger Uni. Höfling und seine Kollegen haben dafür zweidimensionale Halbleiterschichten in höchster Perfektion auf ein Trägersubstrat „aufgedampft“.

So genannte Exziton-Polaritonen haben die Wissenschaftler in dieser Probe genauer untersucht. Was diese sind? „Von einem Exziton sprechen Physiker, wenn sich ein Elektron mit einer Leerstelle paart, an die eigentlich auch ein Elektron gehörte“, erklärt Höfling. Die Zugabe von Photonen – also Licht – kann daraus dann ein Polariton machen. Exziton-Polaritonen sind aus Sicht des Physikers „Quasiteilchen, die durch die starke Kopplung von Kavitätsphotonen mit Exzitonen in einem Quantenfilm entstehen“. Diese Quasiteilchen besitzen eine sehr leichte Masse und stehen untereinander in Wechselwirkung.

Strudel im zweidimensionalen Raum

Außerdem können sie rotieren, vergleichbar einem Strudel in einer Badewanne, aus der das Wasser gerade abfließt. Zwei Drehrichtungen gibt es für solche Wirbel in zwei Dimensionen: mit dem Uhrzeiger oder entgegen. Unter normalen Bedingungen finden sich Wirbel und Anti-Wirbel wild durcheinander verteilt (siehe Abbildung links). Ein Zustand großer Unordnung also. Ein hochgeordneter Zustand ist jedoch zwingende Voraussetzung dafür, dass eine bestimmte Substanz superfluide Eigenschaften annimmt, dass also die Teilchen widerstandslos fließen können.

Und wie kommt nun Ordnung in das System? „Beim Unterschreiten einer kritischen Temperatur bilden sich aus diesen freien Wirbeln spontan Wirbel-Antiwirbel-Paare, deren Gesamtdrehsinn durch den unterschiedlichen Drehsinn der einzelnen Wirbel aufgehoben wird“, erklärt Höfling (siehe Abbildung rechts). Dieser Effekt führe zu einer Stabilisierung der Ordnung. Salopp formuliert könnte man sagen: Auch wenn im Kleinen lokal Unordnungen existieren, herrscht im Großen und Ganzen doch eine Ordnung.

Die Bedeutung der Entdeckung

„Physikalische Grundlagenforschung“: So beschreibt Sven Höfling das Forschungsergebnis, über das die Fachzeitschrift Nature Physics berichtet hat. Das Experiment zeige die Wichtigkeit topologischer Ordnung und Phänomene in der Natur auf und habe weitreichende Bedeutung für Studien von Quantenphasenübergängen. Ein direkter praktischer Nutzen sei daraus derzeit nicht ableitbar, aber der Nachweis der Existenz eines Wirbel-Antiwirbel-Paares sei ein wichtiges Indiz für die Bestätigung der Theorie der superfluiden Phase in zweidimensionalen Systemen. Während das beobachtete einzelne Paar im Experiment noch durch einen Laser auf das Kondensat aufgeprägt wurde, deuten neueste Ergebnisse sogar auf das spontane Auftreten von mehreren Wirbel-Antiwirbel-Paaren und der damit einhergehenden superfluiden Phase im Kondensat hin.

“Single vortex–antivortex pair in an exciton-polariton condensate”, Georgios Roumpos, Michael D. Fraser, Andreas Löffler, Sven Höfling, Alfred Forchel und Yoshihisa Yamamoto, Nature Physics, doi:10.1038/NPHYS1841

Kontakt
Sven Höfling, T (0931) 31-83613, sven.hoefling@physik.uni-wuerzburg.de