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Licht-Materie-Hybride bilden bei Raumtemperatur einen supersoliden Quantenzustand
Supersolide verbinden eine kristallähnliche Struktur mit Eigenschaften einer Quantenflüssigkeit und wurden meist bei extremer Kälte untersucht. Nun ist eine entsprechende Phase in einem Gemisch aus Licht und Materie bei Zimmertemperatur beobachtet worden. Spontan entstehende Streifen und Quantenwirbel liefern Hinweise auf den besonderen Zustand, dessen Eigenschaften sich zudem elektrisch beeinflussen lassen.
Warschau (Polen). Normalerweise schließen sich die regelmäßige Ordnung eines Kristalls und die Beweglichkeit einer Flüssigkeit weitgehend aus. In einem Supersolid können beide Merkmale auf Quantenebene zusammenkommen, weil sich eine periodische Dichteverteilung bildet und zugleich Eigenschaften einer Supraflüssigkeit erhalten bleiben. Solche Zustände wurden bisher vor allem in extrem kalten atomaren Gasen erzeugt.
Für optische Experimente ist die dafür nötige Kühlung ein großes Hindernis. Manche Quasiteilchen aus Licht und Materie können dagegen bereits bei Zimmertemperatur ein Bose-Einstein-Kondensat bilden, in dem viele Teilchen denselben Quantenzustand besetzen. Unklar war, ob darin neben der räumlichen Ordnung auch die für einen supersoliden Zustand nötigen Eigenschaften einer Quantenflüssigkeit entstehen können.
Forscher der Université Clermont Auvergne (UCA) um Prof. Guillaume Malpuech haben dafür einen neuartigen optischen Mikroresonator untersucht. In ihm wird Licht zwischen spiegelnden Schichten eingeschlossen und mit Anregungen eines organischen Halbleiters gekoppelt. Dabei entstehen kurzlebige Mischwesen aus Licht und Materie, sogenannte Exziton-Polaritonen.
Der zusätzlich eingebrachte Flüssigkristall erlaubt es, die Eigenschaften des eingeschlossenen Lichts durch eine elektrische Spannung zu beeinflussen. Auf diese Weise besitzt das System zwei energetisch gleichwertige Zustände, in denen sich die Polaritonen gemeinsam ansammeln können. Die für das Experiment nötige starke Kopplung von Licht und Materie funktioniert bereits ohne aufwendige Kühlung.
„Unsere optischen Mikrokavitäten können sogar bei etwa 60 Grad Celsius arbeiten“, erklärt Prof. Wiktor Piecek von der Wojskowa Akademia Techniczna (WAT).
Nach der Anregung durch kurze Laserpulse zeigte das austretende Licht regelmäßig verteilte helle und dunkle Streifen. Diese machen eine periodische Dichteverteilung im Kondensat sichtbar, obwohl die Probe keine fest vorgegebene Streifenstruktur besitzt. Die räumliche Ordnung entsteht vielmehr durch die Überlagerung zweier gleichberechtigter Zustände der Licht-Materie-Teilchen.
Besonders aufschlussreich war der Vergleich einzelner Laserpulse. Die Streifen erschienen immer wieder an anderen Stellen, statt stets einer festen Unregelmäßigkeit der Probe zu folgen. Das ist ein Hinweis darauf, dass das Quantensystem seine räumliche Symmetrie spontan bricht und selbst eine von mehreren möglichen Anordnungen wählt.
„Das ist ein klassisches Beispiel für spontane Symmetriebrechung“, erklärt Prof. Guillaume Malpuech.
Neben den Dichtestreifen beobachtete das Team eine regelmäßige Änderung der Polarisation des Lichts, eine sogenannte Spinhelix. Damit traten zwei verschiedene räumliche Ordnungen zugleich auf, die sich anhand von Lichtintensität und Polarisation unterscheiden lassen. Bei schwächerer Anregung blieb die Position der Streifen dagegen stärker durch Unregelmäßigkeiten des Materials festgelegt.