Hurra, ein "Quantentröpfchen"!

27. Februar 2014, 10:15
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Flüssigkeit und Quantum zugleich: Eine unerwartete neue Entdeckung vereint beide Eigenschaften

Amerikanische und deutsche Physiker lassen mit einer Entdeckung aufhorchen.  Sie identifizierten ein neues Quasiteilchen mit höchst ungewöhnlichen Eigenschaften:  es ist Flüssigkeit und Quant zugleich. Mit ihrer Studie schafften sie es sogar auf die aktuelle Titelseite des Fachblattes "Nature".

In ihren Experimenten, bei denen sie Gallium-Arsen-Halbleiter mit ultraschnellen Laserpulsen bestrahlten, stießen die Forscher von der University of Colorado auf eine bis dahin unbekannte Konfiguration. Diese war einerseits so klein, dass sie Quanteneigenschaften aufwies, zeigte aber andererseits auch Eigenschaften einer Flüssigkeit. Dies inspirierte die Wissenschafter dazu, ihre Entdeckung "quantum droplet", also "Quantentröpfchen" zu nennen.

Rätselhafte Messungen

Bei der neuen Entdeckung handelt es sich um ein sogenanntes Quasiteilchen. Diese sind ein in Halbleitern häufig verwendetes Konzept. So ist zum Beispiel das "Loch" im Kristallgitter eine Halbleiters, das von einem Elektron gefüllt werden kann, ein Quasiteilchen. Auch ein Pärchen aus einem Elektron und einer solchen Leerstelle gehört in diese Kategorie, und wird konkret als "Exziton" bezeichnet.

Solche Exzitone hatten die Forscher untersucht, als sie plötzlich auf ein unerwartetes Phänomen in ihren Daten stießen: Je stärker die Intensität des von ihnen verwendeten Lasers wurde, desto höher wurde auch die von ihnen gemessene Bindungsenergie. Das war mit den bisherigen Konzepten nicht erklärbar. Es waren die theoretischen Physiker an der Philipps Universität Marburg, ebenfalls Mitautoren der Publikation, die die Messungen schließlich interpretieren konnten. Dabei kam ein neues Konzept zur praktischen Anwendung, das von ihnen drei Jahre zuvor entwickelt worden war.

Ungewöhnliche Eigenschaften

Wie man jetzt weiß, handelt es sich bei der Entdeckung um eine neues Quasiteilchen, das aus jeweils etwa fünf Elektronen und Löchern besteht. Konfigurationen aus Exzitonen waren zwar bereits zuvor in Halbleitern beobachtet worden, jedoch nicht in so geringer Größe. Bei den bisher bekannten so genannten "Droplets" hatte es sich um makroskopische Strukturen aus tausenden oder gar Millionen von Elektronen und Löchern gehandelt. Diese konnten aufgrund ihrer Größe keine Quanteneigenschaften aufweisen, im Gegensatz zum neu entdeckten "Quantentröpfchen". Auch Flüssigkeitseigenschaften hatten sie keine.

Praktische Anwendungen wird es für ihr Quantentröpfchen so schnell nicht geben, sagen die Forscher. Die Entdeckung sei aber ein wichtiger Beitrag zum besseren Verständnis von Elektronen und deren Interaktionen. (guge/DER STANDARD, 27. 2. 2014)

  • Künstlerische Darstellung des Quantentröpfchens, das im Inneren eines Gallium-Arsen-Halbleiters entdeckt wurde.
    foto: baxley/jila

    Künstlerische Darstellung des Quantentröpfchens, das im Inneren eines Gallium-Arsen-Halbleiters entdeckt wurde.

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