Bericht über supersoliden Zustand bei Raumtemperatur zeigt gestreifte Quantenlichtflüssigkeit

Eine Quantenflüssigkeit bildet ihre eigenen Streifen

Ein Team der Universität Warschau berichtet, eine supersolide Phase in einer Quantenflüssigkeit aus Licht erzeugt zu haben. Dazu nutzte es eine optische Mikroresonatorstruktur mit Flüssigkristall und einem organischen Halbleiter. Die Forschenden beschreiben ein Kondensat, in dem sich regelmäßig angeordnete Dichtestreifen bilden, während zugleich Eigenschaften von Supraflüssigkeiten erhalten bleiben. Damit vereint das System ungewöhnliche Quanteneigenschaften und soll bei Raumtemperatur betrieben werden.

Der experimentelle Aufbau kombiniert einen nematischen Flüssigkristall mit zwei Schichten des Polymers methylsubstituiertes leiterartiges Poly(p-phenylen), kurz MeLPPP. Licht und elektronische Anregungen im Polymer koppeln stark genug, um Exziton-Polaritonen zu bilden: hybride Gebilde, die sich zu einem gemeinsamen Quantenzustand zusammenfinden können.

Der Publikationseintrag von IBM Research führt die Studie als Beitrag in Science Advances auf und datiert sie auf den 16. Oktober 2026. Der Beschreibung zufolge treten die Streifen jedes Mal an anderen Stellen auf, wenn sich das Kondensat bildet, selbst wenn ein zufälliges Störpotenzial vorliegt. Die Forschenden berichten außerdem von zufällig auftretenden Wirbeln, einem weiteren Merkmal von Supraflüssigkeiten.

Bei der Temperatur ist eine präzise Formulierung wichtig. Die Beschreibung der Forschung spricht von Supersolidität bei Raumtemperatur, während der begleitende Bericht die starke Licht-Materie-Kopplung bei etwa 60 Grad Celsius verortet. Die genaue Temperatur, bei der die supersoliden Beobachtungen gemacht wurden, wird in der wissenschaftlichen Zusammenfassung nicht genannt. Beide Darstellungen verorten die Arbeit deutlich über den Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, die bei supersoliden ultrakalten Atomen zum Einsatz kommen.

Was macht einen Supersoliden ungewöhnlich?

Ein herkömmlicher Kristall weist eine regelmäßige Anordnung seiner Materie auf. Eine Supraflüssigkeit ist eine Quantenflüssigkeit, die ohne den üblichen, mit Viskosität verbundenen Widerstand fließen kann. Ein Supersolid vereint eine räumliche Ordnung, die der eines Kristalls ähnelt, mit dem kollektiven Quantenverhalten einer Supraflüssigkeit.

Der Begriff „fest“ kann im Alltag irreführend sein. Hier handelt es sich um ein sich wiederholendes Muster in der Dichte einer Quantenflüssigkeit. Das Experiment untersucht ein Kondensat aus hybriden Licht-Materie-Anregungen in einem optischen Bauelement, nicht einen herkömmlichen starren Körper.

Ein Bose-Einstein-Kondensat entsteht, wenn viele Bosonenteilchen oder Anregungen denselben Quantenzustand einnehmen und sich kollektiv verhalten. Als Bild kann eine Menschenmenge dienen, die sich im Gleichschritt bewegt: Entscheidend ist das Verhalten des Kollektivs, nicht das jedes einzelnen Mitglieds. Bei einem Polaritonkondensat ermöglicht das vom Bauelement ausgestrahlte Licht den Forschenden den Zugang zu diesem kollektiven Zustand.

Experimente mit ultrakalten Atomen wiesen 2017 erstmals supersolides Verhalten nach. Bei diesen Systemen sind extrem niedrige Temperaturen nötig, damit sich Quantenverhalten im Kollektiv beobachten lässt. Der Ansatz aus Warschau nutzt Exziton-Polaritonen, um verwandte physikalische Phänomene in einem anderen Temperaturbereich und mit einem anderen experimentellen Aufbau zu untersuchen.

Wie der Flüssigkristall das Kondensat formt

Der Mikroresonator hält das Licht so fest, dass es stark mit den Exzitonen in den MeLPPP-Schichten wechselwirken kann. Ein Exziton ist eine elektronische Anregung, die aus einem Elektron und der positiv geladenen Leerstelle, dem sogenannten Loch, besteht, die es zurücklässt. Durch die starke Kopplung verbinden sich Licht- und Exziton-Zustände zu Exziton-Polaritonen.

Polaritonen vereinen eine sehr kleine effektive Masse, die sie vom Licht übernehmen, mit Wechselwirkungen, die von ihrem Materieanteil herrühren. Die effektive Masse beschreibt, wie eine Anregung auf Änderungen ihrer Bewegung in einem Material reagiert. Die geringe effektive Masse trägt dazu bei, dass sich Polaritonkondensate bei deutlich höheren Temperaturen bilden können als Kondensate in Atomgasen.

Die Moleküle des nematischen Flüssigkristalls nehmen bevorzugt eine gemeinsame Ausrichtung ein. In diesem Bauelement erzeugt er eine sogenannte Rashba-Dresselhaus-Spin-Bahn-Kopplung. Anschaulich gesagt verknüpft der Resonator die Polarisierungseigenschaften des Lichts mit der Bewegung der Polaritonen.

Die daraus resultierende Beziehung zwischen Energie und Impuls weist bei gleicher Energie zwei unterschiedliche Minima auf. An diesen beiden Stellen kann sich das Kondensat gleichermaßen günstig bilden. Die Besetzung dieser Zustände schafft die Voraussetzung für das räumlich modulierte Kondensat, das in der Studie beschrieben wird.

Warum die Position der Streifen wichtig ist

Das ausgestrahlte Licht zeigt regelmäßige helle Streifen und macht so periodische Änderungen der Kondensatdichte sichtbar. Ihr Abstand bestimmt die wiederkehrende Ordnung, die für die supersolide Phase charakteristisch ist. Dass sich ihre Position von einem Kondensat zum nächsten ändert, liefert den Forschenden einen weiteren wichtigen Hinweis.

Der wissenschaftlichen Beschreibung zufolge treten die Streifen bei jeder Bildung des Kondensats an zufälligen Positionen auf. Bei jeder einzelnen Bildung entscheidet sich das System für eine bestimmte Lage des Musters. Physikerinnen und Physiker nennen das spontane Brechung der Translationssymmetrie: Ein System, in dem verschiedene Positionen möglich sind, nimmt eine bestimmte räumliche Anordnung an.

Ein einfacher Vergleich ist ein sich wiederholendes Muster, das nach links oder rechts verschoben werden kann, ohne dass sich sein Abstand ändert. Sobald sich das Kondensat bildet, nimmt das Muster eine bestimmte Position ein. Bei einem neuen Kondensat können sich die Streifen an einer anderen Stelle bilden.

Die Forschenden berichten, dass dieses Verhalten trotz eines zufälligen Störpotenzials bestehen bleibt, also trotz unregelmäßiger Schwankungen der Bedingungen, denen die Polaritonen ausgesetzt sind. Sie werten die Beobachtung als Hinweis darauf, dass die Streifen gegenüber diesen Störungen unempfindlich sind und ihre Position spontan gewählt wird.

Wirbel sind ein weiteres Merkmal der beschriebenen Quantenflüssigkeit. Ein Wirbel ist eine zirkulierende Struktur, bei der sich die Quantenphase, also die zeitliche Ausrichtung der kollektiven Welle, um einen Mittelpunkt windet. Laut Studie treten solche Wirbel zufällig neben dem gestreiften Dichtemuster auf. Damit verbindet sich räumliche Ordnung mit einem Verhalten, das von Supraflüssigkeiten bekannt ist.

Ein anderer Vorschlag sagte größere Muster voraus

Ein theoretischer Preprint vom Juli 2024 mit dem Titel „Supersolidity of polariton condensates in photonic crystal waveguides“ untersuchte einen anderen Weg zu einem Polaritonsupersolid. Vorgeschlagen wurde eine Struktur, die Licht eindimensional führt und eine periodisch gemusterte Oberfläche aufweist.

Die beiden Forschungsarbeiten befassen sich mit unterschiedlichen Bauelementen und Mechanismen. Der Vorschlag von 2024 nutzt einen photonischen Kristallwellenleiter und nichtlineare Streuung zwischen Polaritonmoden. Im berichteten Flüssigkristallexperiment kommt ein Mikroresonator zum Einsatz, in dem die Spin-Bahn-Kopplung zwei Energieminima für die Kondensation erzeugt.

Den Berechnungen zum Wellenleiter zufolge können zunächst bei einem Impuls von null kondensierte Polaritonen bei steigender optischer Eingangsleistung in Moden mit endlichem Impuls gestreut werden. Der Impuls beschreibt die Bewegung, die mit diesen Moden verbunden ist. Zusammen erzeugte Lichtemission kann ein regelmäßiges räumliches Muster hervorbringen, dessen Position unter geeigneten Bedingungen spontan gewählt wird.

Die vorhergesagte Modulation hat einen Wellenvektor von etwa plus oder minus 0,3 inversen Mikrometern, was einer räumlichen Periode von ungefähr 21 Mikrometern entspricht. Die Periode des zugrunde liegenden photonischen Kristalls beträgt etwa 0,25 Mikrometer. 21 geteilt durch 0,25 ergibt etwa 84. Das vorhergesagte Dichtemuster wiederholt sich also auf einer Skala, die rund 84-mal größer ist als das gefertigte Oberflächenmuster.

Dieser Vergleich verdeutlicht ein wichtiges Merkmal des Vorschlags: Das kollektive Muster hat eine eigene Längenskala, die durch die an der Streuung beteiligten Polaritonmoden festgelegt wird. Die Forschenden berichten außerdem von Berechnungen, denen zufolge sich der relevante Streupunkt über die Eingangsleistung steuern lässt.

Zwei Schwellenwerte und 300 numerische Durchläufe

Die Theorie von 2024 benennt Veränderungen des ausgestrahlten Lichts als praktische Anhaltspunkte für Experimente. In den Berechnungen wird zwischen der anfänglichen Kondensationsschwelle und einer weiteren Schwelle unterschieden, die mit der nichtlinearen Streuung in zusätzliche Moden verbunden ist. Eine Schwelle ist der Eingangspegel, ab dem ein neues Verhalten einsetzt.

Bei einer ungleich null betragenden linearen Kopplung zwischen den relevanten Moden kann die Emission des zusätzlichen Zweigs zwei Schwellen zeigen: eine, die mit der anfänglichen Kondensation zusammenfällt, und eine weitere bei höherer Eingangsleistung. Ohne diese lineare Kopplung zeigt der zusätzliche Zweig stattdessen eine einzelne nichtlineare Schwelle, die mit der Streuung verbunden ist.

Die Berechnungen verknüpfen auch die freie Wahl der Streifenposition mit den Kopplungsbedingungen. Wenn keine lineare Kopplung zwischen den Moden besteht, nimmt die Modulation in verschiedenen numerischen Durchläufen unterschiedliche Positionen ein. Die spontane Wahl untersuchte die Studie anhand von 300 stochastischen Durchläufen, also Simulationen mit jeweils unterschiedlichen zufälligen Schwankungen.

Jeder Durchlauf ergab eine periodische Modulation, doch die Phasen dieser Muster verteilten sich über den gesamten Bereich möglicher Werte. Bei der Mittelung über immer mehr Durchläufe wurde die sichtbare Modulation schwächer, weil sich die unterschiedlich positionierten Streifen gegenseitig aufhoben. Das Ergebnis zeigt, warum einzelne Kondensate untersucht werden müssen, wenn der kollektive Zustand seine räumliche Anordnung selbst wählt.

Die Forschungsarbeiten markieren zwei unterschiedliche Meilensteine:

• Juli 2024: Ein theoretischer Preprint schlägt einen Supersolid in einem photonischen Kristallwellenleiter vor und untersucht Emissionsschwellen sowie die spontane Musterbildung anhand numerischer Tests.
• 16. Oktober 2026: Dem Eintrag von IBM Research zufolge erscheint eine Studie in Science Advances, die über eine supersolide Phase bei Raumtemperatur in einem Flüssigkristall-Mikroresonator berichtet.

Was das für die Quantenphotonik bedeutet

In Polaritonsystemen treten Teilchen fortlaufend in den kollektiven Zustand ein und verlassen ihn wieder. Dem begleitenden Bericht zufolge beträgt die Lebensdauer von Polaritonen nur wenige Pikosekunden. Eine Pikosekunde ist der billionste Teil einer Sekunde. Die optische Anregung führt dem System neue Teilchen zu, während andere zerfallen und Licht entweicht.

Physikerinnen und Physiker bezeichnen dies als getriebenes dissipatives System: Eine externe Quelle liefert Energie, während das Bauelement Energie und Anregungen verliert. In der Theorie zum Wellenleiter entsteht der stationäre Zustand aus dem Gleichgewicht zwischen Verstärkung, Verlusten und Wechselwirkungen. Das kollektive Muster bleibt durch dieses fortwährende Gleichgewicht erhalten.

Die zugänglichen Temperaturen und die optische Auslesung machen den beschriebenen Mikroresonator zu einem nützlichen System, um geordnete Quantenflüssigkeiten zu untersuchen. Die Forschenden können Dichtemuster anhand des ausgestrahlten Lichts analysieren, während sich mit dem Flüssigkristall die Energieverteilung der Polaritonen beeinflussen lässt.

Zu den im Zusammenhang mit der Arbeit diskutierten möglichen Anwendungen zählen schnelle photonische Bauelemente und Beschleuniger für neuromorphes Rechnen, das Informationen mithilfe von Strukturen verarbeitet, die vom Nervensystem inspiriert sind. Interessant ist dabei, dass wechselwirkende optische Zustände kollektiv und nichtlinear reagieren können: Überschreitet ein Eingangswert eine Schwelle, kann sich das Verhalten stark ändern.

Die berichtete Leistung besteht darin, eine Quantenphase erzeugt und beobachtet zu haben. Um daraus ein Bauteil für die Datenverarbeitung zu entwickeln, muss kontrollierbar sein, wie der Zustand entsteht, wo sein Muster liegt und wie er auf einen Eingang reagiert. Die zufälligen Streifenpositionen sind dabei besonders relevant: Die spontane Wahl ist ein wichtiger Beleg für die Physik, während ein Datenverarbeitungsgerät eine zuverlässige Möglichkeit bräuchte, diese Wahl zu nutzen oder zu steuern.

Zusammen ergeben die experimentellen und theoretischen Arbeiten ein genaueres Bild als jede für sich. Die Mikroresonatorstudie beschreibt gestreifte Kondensate und Wirbel bei zugänglichen Temperaturen. Der Vorschlag für den Wellenleiter liefert Berechnungen zu einem anderen Mechanismus, darunter zu Mustergrößen, Emissionsschwellen und statistischen Tests. Gemeinsam erweitern die Arbeiten die Auswahl optischer Strukturen, in denen sich supersolides Verhalten untersuchen lässt.

Die wichtigsten Punkte

• Ein Team der Universität Warschau berichtet von einem supersoliden Polaritonkondensat in einem Mikroresonator mit nematischem Flüssigkristall und zwei MeLPPP-Polymerschichten.
• Die beobachteten Dichtestreifen nehmen bei verschiedenen Kondensatbildungen unterschiedliche Positionen ein und bleiben trotz eines zufälligen Störpotenzials bestehen.
• Die Studie berichtet außerdem von zufällig auftretenden Wirbeln, einem Merkmal von Supraflüssigkeiten.
• Die wissenschaftliche Zusammenfassung beschreibt einen Betrieb bei Raumtemperatur; der begleitende Bericht verortet die starke Kopplung bei etwa 60 Grad Celsius.
• Ein separater theoretischer Vorschlag vom Juli 2024 sagt Wellenleitermuster mit einer Periode von etwa 21 Mikrometern voraus und analysiert 300 numerische Durchläufe.
• Photonisches Rechnen ist eine mögliche Anwendung. Im Mittelpunkt steht jedoch die Entstehung und das Verhalten eines ungewöhnlichen Quantenzustands.