Physiker haben eine Quantenflüssigkeit geschaffen, die niemals „einfriert“

Ein internationales Physikerteam hat einen Quantenzustand entdeckt, in dem die Ausrichtung von Atomen mit der Materie verbunden ist

Spins, auch bei Ultra-Low nicht bestelltTemperaturen. Den Wissenschaftlern gelang es, das erzeugte Material auf nahezu den absoluten Nullpunkt abzukühlen. Dabei „friere“ die zentrale Eigenschaft der Atome – ihre Anordnung – nicht wie üblich ein, sondern bleibe in einem „flüssigen“ Zustand, berichten die Autoren der Arbeit.

Quantenmaterialien auf den ersten Blick nichtunterscheiden sich von gewöhnlichen Substanzen, aber es gibt immer noch Unterschiede, sagen die Forscher. In solchen Materialien wechselwirken Elektronen mit ungewöhnlicher Intensität sowohl untereinander als auch mit Atomen des Kristallgitters. Diese enge Wechselwirkung führt zu starken Quanteneffekten, die sich nicht nur auf mikroskopischer, sondern auch auf makroskopischer Ebene manifestieren.

Dank dieser Effekte werden Quantenmaterialienungewöhnliche Eigenschaften haben. So können sie beispielsweise Strom bei niedrigen Temperaturen absolut verlustfrei leiten. Gleichzeitig reichen bereits geringe Änderungen der Temperatur, des Drucks oder der elektrischen Spannung aus, um das Verhalten des Materials radikal zu verändern.

Quantenflüssigkeit. Bild: Nan Tang et al., Nature Physics

In ihrer Arbeit wollten die Forscher schaffenein Quantenmaterial, das seine Eigenschaften unabhängig von der Temperatur des Mediums nicht ändert. Sie verwendeten eine Kombination aus mehreren Elementen - Praseodym, Zirkonium und Sauerstoff. Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass in diesem Material die Eigenschaften des Kristallgitters es den Spins von Elektronen ermöglichen würden, auf besondere Weise mit den Orbitalen zu interagieren, in denen sie sich um die Atomkerne „bewegen“.

Nach einer Reihe von Versuchen gelang es den ForschernKristalle herzustellen, die ausreichend rein sind, damit Verunreinigungen und Inhomogenitäten die berechneten Eigenschaften nicht beeinflussen. Sie kühlten die Probe auf 20 mK (ein Fünfzigstel Grad vom absoluten Nullpunkt) herunter. Die Ergebnisse der Experimente zeigten, dass das Material in diesem Zustand „flüssige Eigenschaften“ behält – die Elektronenspins sind nicht geordnet. Dies ist die erste Beobachtung eines ungewöhnlichen Quantenzustands, sagen die Autoren. Sie vergleichen es mit „Wasser, das niemals gefriert“.

Im Experiment verwendete kryogene Anlage. Bild: Jürgen Jeibmann, HZDR

Ein neuer Quantenzustand kann seinzur Entwicklung hochempfindlicher Quantensensoren verwendet werden, glauben Wissenschaftler. Da sie aufgrund ihrer Quantennatur extrem empfindlich gegenüber äußeren Reizen sind, können solche Sensoren Magnetfelder oder Temperaturen viel genauer erfassen als herkömmliche Geräte.

Weiter lesen:

Das Ei wurde aus dem Weltraum abgeworfen: Schauen Sie, was damit passiert ist

Gehirnfressende Amöbe breitet sich in den USA aus: Gefahr für Russland

Sehen Sie, wie eine Frau Thora aussieht. Sie lebte vor 800 Jahren