Supersolid bei Raumtemperatur in Flüssigkristall-Mikrokavitäten erzeugt

Licht und Materie statt ultrakalter Atome

Das Konzept der Supersolid-Phase stammt aus den 1960er-Jahren: Ein starres Kristallgitter soll mit Suprafluidität koexistieren, einem Zustand ohne Viskosität. Im Labor wurde dies erstmals 2017 in ultrakalten atomaren Bose-Einstein-Kondensaten beobachtet.

Das europäische Team umging die Kryotechnik, indem es langsame Atome durch Quasiteilchen aus Licht und Materie ersetzte. Über starke Kopplung zwischen Photonen in einer optischen Mikrokavität und Exzitonen entstanden hybride Exziton-Polaritonen. Ihre Lebensdauer beträgt nur wenige Pikosekunden, genügt aber, um ein Bose-Einstein-Kondensat zu bilden, das sich wie eine Quantenflüssigkeit verhält.

Der Übergang wurde anhand regelmäßig angeordneter heller Interferenzstreifen auf der Probenoberfläche nachgewiesen, die gleichzeitig in zwei unabhängigen Kanälen geordnet sind: Lichtintensität und Polarisation. Zugleich zeigte sich direkt die spontane Symmetriebrechung. Prof. Guillaume Malpuech vom Institut Pascal (CNRS) erklärte, jeder Laserpuls habe Streifen an anderen, zufälligen Positionen erzeugt – passend zur Theorie, wonach das System einen von vielen gleichwertigen Grundzuständen wählt.

Wettlauf gegen die Chemie

Die mit einem speziell zusammengesetzten Flüssigkristall gefüllten Mikrokavitäten wurden an der WAT entworfen und gefertigt; das Team von IBM Research Zürich trug ultradünne Schichten eines organischen Halbleiters auf. Der Halbleiter reagierte langsam mit dem Flüssigkristall, sodass eine Probe nur wenige Stunden stabil blieb. Alle optischen Messungen mussten in diesem Zeitfenster erfolgen, und jede Wiederholung erforderte eine neu hergestellte Probe.

Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass spannungsgesteuerte Flüssigkristall-Mikrokavitäten eine flexible Plattform sind, um neue Quantenphasen von Licht und Materie zu erforschen.