Ein Forscherteam, zum dem auch CUI-Professor Andreas Hemmerich gehört, schlägt ein Experiment vor, das die chirale Ordnung direkt offenbart. Dieser direkte Nachweis galt bislang als unmöglich.
Ultrakalte Quantengase in optischen Gittern bieten den Experimentatoren einzigartige Möglichkeiten, um der Physik exotischer Quantenphasen unter kontrollierbaren Laborbedingungen auf die Spur zu kommen. Mithilfe experimenteller Modellsysteme haben Wissenschaftlerteams kürzlich gezeigt, dass in p-orbitalen Bosesystemen eine spektakuläre neuartige Phase auftritt, die neben der Suprafluidität noch eine zusätzliche chirale Ordnung aufweist.
Illustration der chiralen Ordnung in einem zweidimensionalen Gitterschachbrett. Die hier abgebildete orbitale Konfiguration zeigt gestaffelte Drehmomente. Die pinkfarbene Kurve illustriert die schlagartige Potentialänderung, um kohärente Oszillationen auszulösen.
Daran anknüpfend hat das Forscherteam nun untersucht, wie thermische Fluktuationen die prägenden Eigenschaften solcher chiraler Supraflüssigkeiten zerstören. Die theoretische Untersuchung, über die das Team im Fachmagazin Nature Communications berichtet, sagt nun ein neuartiges Regime voraus, das zwischen der chiralen suprafluiden Phase bei tiefen Temperaturen und der normalen Flüssigkeit bei hohen Temperaturen auftritt. Mit zunehmender Temperatur zerstören die thermischen Fluktuationen zunächst die Suprafluidität, die chirale Ordnung bleibt jedoch wider Erwarten bestehen. Erst bei noch höheren Temperaturen geht das System durch einen Ising-artigen Übergang von dieser chiralen Boseflüssigkeit in einen normale Flüssigkeit ohne lokale Händigkeit über.
Zusätzlich zu den theoretischen Überlegungen präsentieren die Autoren auch einen Vorschlag, wie die chirale Ordnung in einem Experiment direkt nachgewiesen werden dann. „Die chirale Ordnung war lange Zeit nur indirekt nachweisbar“, sagt Prof. Hemmerich. „Wir haben jetzt ein Experiment in Vorbereitung, um solche Ideen umzusetzen.“ Die Forscher schlagen vor, das Gitterpotential schlagartig zu verändern, um die gestaffelten Drehmomente in kohärente Oszillationen zu überführen. Dies würde die chirale Ordnung direkt offenbaren. Für derartige Experimente muss man die Bedingungen sehr genau kontrollieren können. Prof. Hemmerich: „Das ist eine extreme Herausforderung.“
Originalarbeit: X. Li, A. Paramekanti, A. Hemmerich, and W. V. Liu, Proposed formation and dynamical signature of a chiral Bose liquid in an optical lattice, Nature Communications, Vol. 5, 3205 (2014), doi:10.1038/ncomms4205.