Quantenmaterie

Als Quantenmaterie bezeichnet man Vielteilchensysteme, deren makroskopische Eigenschaften durch quantenphysikalische Phänomene bestimmt werden. Forschungsthemen im Bereich der Quantenmaterie findet man in der Festkörperphysik und -chemie (Quantenmaterialien), in der Atomphysik (ultrakalte Atomgase) und in der Astrophysik (Weiße Zwerge und Neutronensterne). Die Quantenteilchen können dabei entweder Fermionen (z. B. Elektronen, Nukleonen, Quarks) oder Bosonen (z. B. bosonische Atome) sein.

Elektronen in Festkörpern und in Weißen Zwergen sind quantenmechanisch entartet und tragen durch ihren Entartungsdruck zur Stabilität des jeweiligen Gesamtsystems bei. Dasselbe gilt für Neutronen und Protonen in Neutronensternen. Entartete Fermionensysteme zeigen bei ausreichend tiefen Temperaturen eine Vielzahl makroskopischer Quantenphänomene wie z. B. Magnetismus, Supraleitung und topologische Randkanäle in Quantenmaterialien^[1] und Suprafluidität von ³He-Atomen. In Neutronensternen gibt es ebenfalls Anhaltspunkte für makroskopische Quantenzustände, insbesondere Neutronen-Suprafluidität und Protonen-Supraleitung.^[2] Unter extremen Bedingungen (insbesondere im Innern von Neutronensternen und bei hochenergetischen Kollisionen schwerer Ionen in Teilchenbeschleunigern) entsteht ein Quark-Gluon-Plasma, für das ein supraleitender Zustand freier Quarks (Farbsupraleitung) vorhergesagt wurde. Dieser wurde bisher allerdings noch nicht eindeutig nachgewiesen.

Auch in bosonischen Vielteilchensystemen entsteht durch Bose-Kondensation bei tiefen Temperaturen ein makroskopischer Quantenzustand. Das bekannteste Beispiel ist der suprafluide Zustand von ⁴He-Atomen. Bose-Kondensate können auch durch Kühlung von Gasen bosonischer Atome erzeugt werden.^[3] In Festkörpern wurde die Kondensation bosonischer Quasiteilchen wie z. B. Magnonen^[4] und Exzitonen^[5] nachgewiesen.

1. ↑ B. Keimer, J. E. Moore: The physics of quantum materials. In: Nature Physics. Band 13, Nr. 11, 30. Oktober 2017, ISSN 1745-2473, S. 1045–1055, doi:10.1038/nphys4302 (nature.com [abgerufen am 21. Oktober 2018]). 
2. ↑ Superfluidity and Superconductivity in Neutron Stars | NewCompStar. Abgerufen am 22. Oktober 2018 (amerikanisches Englisch). 
3. ↑ The Nobel Prize in Physics 2001. Abgerufen am 21. Oktober 2018 (amerikanisches Englisch). 
4. ↑ S. O. Demokritov, V. E. Demidov, O. Dzyapko, G. A. Melkov, A. A. Serga: Bose–Einstein condensation of quasi-equilibrium magnons at room temperature under pumping. In: Nature. Band 443, Nr. 7110, September 2006, ISSN 0028-0836, S. 430–433, doi:10.1038/nature05117 (nature.com [abgerufen am 21. Oktober 2018]). 
5. ↑ J. Kasprzak, M. Richard, S. Kundermann, A. Baas, P. Jeambrun: Bose–Einstein condensation of exciton polaritons. In: Nature. Band 443, Nr. 7110, September 2006, ISSN 0028-0836, S. 409–414, doi:10.1038/nature05131 (nature.com [abgerufen am 21. Oktober 2018]).