Aus dem Schulunterricht sind drei Aggregatzustände bekannt: fest, flüssig und gasförmig. In einem Festkörper sind die Atome oder Moleküle fest angeordnet. In einer Flüssigkeit oder einem Gas können sie sich frei bewegen. Physikstudenten lernen schließlich noch zwei weitere Aggregatzustände kennen: Erhöht man die Temperatur eines Gases, kann ein Plasma entstehen, dessen Bestandteile ionisiert sind. Und kühlt man Materie extrem stark ab, bis ganz knapp über dem absoluten Nullpunkt, kann sich ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat bilden.

Widerstandslos fließen

In solch einem Kondensat konnten nun gleich zwei Forschergruppen unabhängig voneinander und mit unterschiedlichen Methoden einen weiteren, bisher unbekannten Zustand realisieren: einen so genannten Suprafestkörper. Darunter verstehen Physiker einen Materiezustand, der zugleich Eigenschaften einer Supraflüssigkeit und eines Festkörpers zeigt.

Bose-Einstein-Kondensate sind eigenartige Materiezustände, bei denen sich alle Atome in einem einzigen Energiezustand befinden und sich wie ein einziges Atom verhalten. Sie können deshalb widerstandslos umeinanderfließen – man nennt dies Supraflüssigkeit. Albert Einstein hatte die Existenz eines solchen Kondensats bereits 1924 vorhergesagt und sich dabei auf Arbeiten des indischen Theoretikers Satyendra Bose berufen. Es dauerte aber bis 1995, als es Eric Cornell, Carl Wieman und Wolfgang Ketterle schließlich gelang, ein solches Kondensat erstmals im Labor zu erzeugen, wofür sie 2001 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt wurden.

Ketterles Arbeitsgruppe am Massachusetts Institute of Technology ist auch eine von zweien, die nun einen Suprafestkörper nachweisen konnten. Sein Team nutzte ein ultrakaltes, supraflüssiges Bose-Einstein-Kondensat aus Natriumatomen, die sie mit einem Laser in einer optischen Falle einschlossen. „Das Bose-Einstein-Kondensat wurde in zwei Spinzuständen präpariert“, sagt Ketterle.

Der Spin – gewissermaßen die Eigenrotation der Atome – konnte so entweder nach oben oder nach unten zeigen und ließ sich mit Hilfe von Laserstrahlen hin- und herschalten. Durch präzise eingestrahltes Laserlicht gelang es den Forschern dann, die Atome so „anzuschubsen“, dass sie sich in einem regelmäßigen „Tigerstreifenmuster“ anordneten. Obwohl das Kondensat noch supraflüssig war, nahm es eine Ordnung an, wie man sie laut theoretischen Berechnungen bei einem Festkörper erwarten würde.

Lange gesucht, endlich gefunden

Die andere Gruppe um Tilman Esslinger vom Institut für Quantenelektronik der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich verwendete ebenfalls ein ultrakaltes Bose-Einstein-Kondensat, das die Physiker mit Hilfe von Laserstrahlen in einer optischen Falle einschlossen. Ihr Quantengas bestand allerdings aus supraflüssigen Rubidiumatomen. Der Trick bei ihrem Aufbau: Die kalten Atome befanden sich zusätzlich zwischen extrem guten, exakt parallel ausgerichteten Spiegeln, zwischen denen das Licht 100 000-fach hin und her reflektiert wurde, wobei sich eine stehende Welle ausbildete. Die Zürcher Forscher nutzten nun gleich zwei solche Resonanzkammern, die symmetrisch zur Strahlrichtung eines externen Lasers angeordnet waren.

„Es war eine ziemliche technische Herausforderung, die Spiegel im Ultrahochvakuum geeignet anzuordnen, und benötigte erhebliche Ausdauer“, sagt Esslinger. Der Laser regte die Rubidiumatome dann zum Leuchten an. In der doppelten Resonanzkammer bildete sich daraufhin ein Lichtfeld mit stehenden Wellen aus, in dem sich die Rubidiumatome dann regelmäßig wie ein Kristall anordneten. Die Supraflüssigkeit zeigte also die Struktur eines Festkörpers. Trotzdem ließen sich die Atome im Kondensat verschieben – und zwar ohne Energieaufwand, wie es bei Supraflüssigkeiten, nicht aber bei Festkörpern üblich ist.

Andere Forscher, die die neuen Ergebnisse begutachtet haben, sind zuversichtlich, dass der ungewöhnliche suprasolide Quantenzustand nun endlich nachgewiesen wurde. „Neben dem besseren Verständnis von Suprafestkörpern ermöglichen die neuen experimentellen Techniken auch Fortschritte in anderen Gebieten“, kommentiert Kaden Hazzard, der an den Studien nicht beteiligt war, die Entdeckungen.

Dabei ist die Forschung zu Suprafestkörpern auch ein Lehrstück für das Auf und Ab auf dem Weg zu wissenschaftlicher Erkenntnis. So hatten bereits 2004 Moses Chan von der Pennsylvania State University und sein Student Eun-Seong Kim Experimente mit ultrakaltem Helium durchgeführt. Die beiden hatten Hinweise auf einen suprasoliden Zustand gefunden und diese in einer Studie publiziert.

Andere Forscher hatten jedoch Schwierigkeiten, diese Ergebnisse zu reproduzieren. Sie äußerten den Verdacht, es habe gar keine suprasolide Phase vorgelegen, sondern Fehlstellen am Helium hätten diesen Eindruck fälschlich hervorgerufen. Chan untersuchte sein System daraufhin nochmals eingehend, entdeckte die Schwachstelle und publizierte darüber sogar eine neue Studie.

Als Werkstoff für die Industrie taugen die hochsensiblen Suprafestkörper jedoch vorerst nicht. Die untersuchten Natrium- und Rubidiumkondensate bestehen gerade einmal aus höchstens einigen 100 000 Atomen. Forscher weltweit erhoffen sich vom Studium dieser exotischen Materiezustände aber Aufschluss über zahlreiche andere ungewöhnliche Quanteneffekte. So wurde der Physiknobelpreis 2016 für die theoretische Untersuchung topologischer Materiezustände vergeben, bei denen ebenfalls besondere Quanteneffekte eine Rolle spielen.

Die Auszeichnung ging unter anderem an David Thouless, der bereits 1969 ebenso wie Alexander Andrejew und Jewgeni Lifschitz die Existenz von Suprafestkörpern vorhergesagt hatte. „Mit den nun entwickelten Methoden wollen wir jetzt andere neue Materialien entdecken“, sagt Wolfgang Ketterle. Mittelfristig, in 10 bis 20 Jahren, könnte dies dann auch die Materialforschung beeinflussen und zu ganz neuen Werkstoffen führen.