Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben zum ersten Mal experimentell die Gegenfluss-Superfluidität (CSF) nachgewiesen. Dieser exotische Quantenzustand ermöglicht es zwei Komponenten, wie unterschiedliche Atomtypen oder Spins, in entgegengesetzte Richtungen zu fließen, während sie perfekt korreliert bleiben. Obwohl beide Komponenten superfluid sind, bleibt das Gesamtsystem stationär und inkompressibel.
Laut den Forschern wird die CSF ein bedeutendes Werkzeug zur Untersuchung und Simulation komplexer Quantensysteme in ultrakalten Umgebungen sein, insbesondere zur Erforschung neuer quantenmechanischer Phasen und spinbezogener Phänomene.
Obwohl das Konzept der Gegenfluss-Superfluidität seit zwei Jahrzehnten bekannt ist, war die experimentelle Beobachtung aufgrund technischer Herausforderungen schwierig. Die experimentelle Umsetzung erforderte eine sorgfältige Vorbereitung von fehlerfreien Zuständen und eine minimale Erwärmung während kohärenter Manipulationen.
Um diese 'verborgene' Phase der CSF zu erreichen, schufen die Wissenschaftler ein Zwei-Komponenten-System mit Rubidium-87-Atomen in zwei unterschiedlichen Spin-Zuständen. Diese Atome wurden dann in einem Laserlichtgitter platziert, das sie an bestimmten Positionen festhielt, was zur Bildung eines Mott-Isolators führte – ein faszinierendes Material, das theoretisch Elektrizität leitet, dies in der Praxis jedoch nicht tut, da starke Wechselwirkungen zwischen den Spins der Teilchen bestehen.
Durch Anpassung der Wechselwirkungen zwischen den Atomen bei einer Temperatur von einem Nanokelvin (-273,15 °C) wechselten die Forscher von einem 'eingefrorenen' Zustand zu einem Zustand, in dem die beiden Atomtypen in entgegengesetzte Richtungen flossen und gleichzeitig perfekt im Gleichgewicht blieben, was die Existenz der Gegenfluss-Superfluidität bestätigte.
Um ihre Ergebnisse zu validieren, verwendeten die Forscher ein Quanten-Gas-Mikroskop, ein hochmodernes Bildgebungswerkzeug, das es Wissenschaftlern ermöglicht, einzelne Atome innerhalb eines Gitters zu beobachten. Sie maßen die Korrelationen zwischen verschiedenen Positionen und Spins der Atome und bestätigten die Anwesenheit von Anti-Paar-Korrelationen, die charakteristisch für die CSF sind.
Diese Beobachtung bestätigte, dass während sich ein Atom in eine Richtung bewegt, ein anderes Atom mit einem entgegengesetzten Spin-Zustand in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Darüber hinaus bemerkten die Forscher langreichweitige Korrelationen in den Spin-Zuständen, was darauf hindeutet, dass das System die Kohärenz über das gesamte Gitter hinweg aufrechterhielt, ein weiterer starker Indikator für die CSF-Phase.
Zusätzlich zu dieser Entdeckung haben Mathematiker der Tomsker Polytechnischen Universität einen neuen Ansatz zur Beschreibung offener nichtlinearer Quantensysteme entwickelt, der auf einer quasi-klassischen Approximation basiert. Diese Methode vereinfacht die Schrödinger-Gleichungen, verbindet klassische Mechanik mit Quantenphysik und verbessert das Verständnis von supraleitenden Wirbeln und der Dynamik von superfluiden Gasen.
Die neue Methode ermöglicht ein besseres Verständnis komplexer physikalischer Prozesse in offenen Systemen, die realistischere Szenarien darstellen. Während traditionelle Methoden oft auf Einschränkungen stoßen, zielt dieser innovative Ansatz darauf ab, einige dieser Herausforderungen zu überwinden und könnte potenziell den Weg für Fortschritte in der Quantentechnologie ebnen.