Eine internationale Studie, veröffentlicht in Nature Communications, wurde vom Nationalen Institut für Optik des Nationalen Forschungsrates (Cnr-Ino) in Sesto Fiorentino in Zusammenarbeit mit der Universität Florenz, der Universität Bologna, der Universität Triest, der Technischen Universität Warschau und der Universität Augsburg in Deutschland durchgeführt. Die Forschung konzentrierte sich auf die Dynamik von Vortexen in stark interagierenden Superfluiden und identifizierte deren grundlegende Mechanismen.
Die untersuchten „Vortexe“ sind kleine Wirbelströme, die um eine Achse rotieren, innerhalb eines Lithiumgas, das auf extrem niedrige Temperaturen, nur 10 Milliardenstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, gekühlt wird. Unter diesen Bedingungen tritt Materie in einen Zustand auf, der als Superfluid bezeichnet wird, in dem die Viskosität verschwindet und die Flüssigkeit reibungslos fließt. Das superfluide Verhalten von ultrakalten Atomen ist mit dem von Supraleitern vergleichbar, wo elektrischer Strom ohne Widerstand zirkulieren kann, was den Energieverlust beim Transport von Strom verhindert. In beiden Systemen spielt die Dynamik der Vortexe eine zentrale Rolle, da sie einen Kanal für die Energie-Dissipation öffnen kann.
Giacomo Roati, Forschungsleiter am Cnr-Ino beim LENS und verantwortlich für die Forschungsgruppe, erklärt: „Der Einsatz von ultrakalten Atomgasen hat es uns ermöglicht, dieses Phänomen in einem extrem kontrollierten Umfeld zu studieren, in einem echten ’quantengestützten Experiment’. Die Dynamik der Vortexe in diesem Fall weist Ähnlichkeiten mit denen in Hochtemperatur-Supraleitern auf, einem Bereich, der weiterhin intensiv untersucht wird. Das Verständnis ihrer Bewegung ist entscheidend, um die dissipativen Effekte zu bewerten und um quantumtechnologische Geräte mit hoher Effizienz zu entwerfen, bei denen solche Effekte gezielt minimiert werden können und damit den Weg für fortschrittliche quantentechnologische Anwendungen öffnet.”
„In sowohl Superfluiden als auch Supraleitern wird die Dynamik der Vortexe durch interne Kräfte innerhalb des Systems bestimmt: Zu verstehen, wie sie sich bewegen, ist fundamental, um die Grenzen zu erkennen, innerhalb derer diese Strömungen ohne Viskosität und Widerstand transportieren können, sowie um ein tieferes Verständnis der Mechanismen zu erlangen, die das quantenmechanische Verhalten der Materie steuern,” fügt Nicola Grani, Wissenschaftler in Physik und Astronomie an der Universität Florenz, hinzu.
In dieser Studie wurde zum ersten Mal die Dynamik eines einzelnen Vortex in einem Superfluid untersucht, wodurch es möglich war, sein Verhalten auf einfache und direkte Weise zu bestimmen: „Die Ergebnisse zeigen, dass die Bewegung der Vortexe in dem untersuchten Regime durch die Anwesenheit von Teilchen beeinflusst wird, die den Kern des Vortex bevölkern,” führt Diego Hernández-Rajkov, Forscher am Cnr-Ino beim LENS, weiter aus. „Diese Studie stellt zudem den ersten indirekten Beweis solcher Partikel in diesem Regime dar. Durch die Analyse der Vortexdynamik konnten wir somit die mikroskopischen Phänomene rekonstruieren, die ihre Dynamik und innere Struktur steuern.”
