Physikerinnen und Physiker der Universität Hamburg und von CUI konnten vor Kurzem in einer theoretischen Forschungsarbeit zeigen, dass durch periodisches Schütteln von Atomen eines kalten Quantengases mit Hilfe von Licht eine superfluide Ordnung erzwungen werden kann, die im ungetriebenen System nicht besteht. Nun erfolgte auch die experimentelle Bestätigung. Diese Befunde klären eine kontroverse Debatte über experimentelle Beobachtungen zur lichtinduzierten Erhöhung der Sprungtemperatur in elektronischen Supraleitern.
Supraleitung, also die Fähigkeit widerstandslos elektrischen Strom zu leiten, ist eine technisch äußerst nützliche Eigenschaft bestimmter Materialien, die leider extrem niedrige Temperaturen unterhalb einer charakteristischen Sprungtemperatur erfordert. Im supraleitenden Zustand formieren sich die Elektronen zu Paaren, die einer rigiden Ordnung unterworfen sind, welche erzwingt, dass die Paare sich in exaktem Gleichschritt und dadurch ohne Widerstand bewegen. Wird die Temperatur zu hoch, wird diese Ordnung durch thermische Fluktuationen erschüttert, sodass ein konkurrierender Zustand die Oberhand gewinnt, bei dem die Paare zwar fortbestehen, aber statt sich im Gleichschritt zu bewegen, eine quasikristalline Struktur ausbilden, eine sogenannte Ladungsdichtewelle. Wie wäre es also, wenn man das irreguläre Schütteln der thermischen Fluktuationen durch zusätzliches gleichförmiges periodisches Schütteln austricksen und damit die Ladungsdichtewelle unterdrücken und die Ordnung des Gleichschritts wiederherstellen könnte?
Die Idee: Schütteln und Gleichschritt
Auf den ersten Blick erscheinen Schütteln und Gleichschritt als Gegensätze, und doch ist genau dies die Idee, welche vor Kurzem an sogenannten Hochtemperatur-Supraleitern ausprobiert worden ist. Das periodische Schütteln wurde dabei durch die Einstrahlung eines intensiven Lichtpulses realisiert, der resonant eine Gitterschwingung des Materials anregte. Tatsächlich zeigten die verwendeten Kuprat-Supraleiter Anzeichen einer erhöhten Sprungtemperatur. Dieser Befund war jedoch bald Gegenstand einer kontroversen Debatte. Viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler blieben skeptisch aufgrund des Einwands, dass Schütteln zusätzliche Unordnung und Heizen statt geordneten Gleichschritt der Elektronenpaare bewirken sollte. Eine endgültige Klärung erschien aufgrund der extremen Komplexität von Kuprat-Supraleitern kaum möglich.
Durch Einstrahlung von Licht werden Atome in eine superfluide Ordnung gebracht. (Foto: UHH/MIN/Mathey group)
Die Atome wurden zwischen zwei extrem reflektierenden Spiegeln positioniert. (Foto: UHH/MIN/Hemmerich group)
In einer gemeinsamen Forschungsarbeit konnten die Theoretiker Dr. Jayson Cosme und Prof. Ludwig Mathey und die Experimentatoren Christoph Georges und Prof. Andreas Hemmerich nun zeigen, dass periodisches Schütteln tatsächlich eine Ordnung des Gleichschritts erzwingen kann. Statt eines komplizierten Kuprat-Supraleiters betrachteten die Forscher ein einfacheres Modellsystem, nämlich ein Bose-Einstein-Kondensat aus Atomen, welches zwischen zwei extrem reflektierenden Spiegeln positioniert wurde. Dieses System besitzt neben einer suprafluiden Phase, in dem die Atome sich im geordneten Gleichschritt bewegen auch einen konkurrierenden Zustand mit Dichtewellen-Charakter, und es hat genau den richtigen Grad von Komplexität, welcher einen quantitativen Vergleich zwischen Theorie und Experiment ermöglicht. Der Zustand mit Dichtewellen-Charakter ließ sich auch im Experiment tatsächlich durch licht-induziertes Schütteln unterdrücken, sodass der suprafluide Zustand wiederhergestellt werden konnte. Die Wissenschaftler veröffentlichten zunächst ihre theoretischen Vorhersagen in dem renommierten Journal Physical Review Letters. In einem zweiten in Physical Review Letters zur Veröffentlichung angenommenen Artikel erfolgte jetzt die experimentelle Bestätigung. Die hier gewonnenen Einsichten klären die kontroverse Debatte zur Beobachtung lichtinduzierter Erhöhung der Sprungtemperatur in elektronischen Supraleitern. Text: UHH/MIN
Publikationen:
Theorie:
Dynamical control of order in a cavity-BEC system
J. G. Cosme, C. Georges, A. Hemmerich, and L. Mathey
Physical Review Letters 121, 153001 (2018)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.153001
Experiment:
Light-induced coherence in an atom-cavity system
C. Georges, J. G. Cosme, L. Mathey, A. Hemmerich
Physical Review Letters 121, 220405 (2018)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.220405