Ein Suprafestkörper ist ein seltene und kontraintuitive Materiezustand, der auf einzigartige Weise die Steifigkeit eines Kristalls mit dem reibungsfreien Fließen eines Supraflüssigkeit verbindet. „Wir können sie uns als eine Flüssigkeit vorstellen, die aus quantenkohärenten, periodisch im Raum angeordneten Tröpfchen besteht, die in der Lage sind, durch ein Hindernis zu fließen, ohne Störungen zu erleiden, während ihre räumliche Anordnung und ihr gegenseitiger Abstand unverändert bleiben, wie es in einem kristallinen Festkörper der Fall ist“, sagt Iacopo Carusotto vom Pitaevskii BEC Center in Trento. Während die Suprafestigkeit bereits in atomaren Bose-Einstein-Kondensaten erforscht wurde, ist dies der erste experimentelle Nachweis einer suprafesten Phase in einem getriebenen-dissipativen Nichtgleichgewichtssystem unter Verwendung von Exciton-Polaritonen in einem photonischen Kristallwellenleiter.
Die Forscher erzeugten den suprafesten Zustand, indem sie Polaritonen in einem „bound-in-the-continuum“-Zustand innerhalb eines photonischen Kristallwellenleiters kondensierten. Sie konnten bei der Messung von Dichtemodulationen eine bemerkenswerte Präzision erreichen. Zugleich untersuchten sie die lokale Kohärenz der suprafesten Wellenfunktion.
„Es handelt sich nicht nur um eine photonische Analogie zu atomaren Systemen, sondern um einen grundlegend neuen Ansatz zur Herstellung von Suprafestigkeit“, sagt der Erstautor der Studie, Trypogeorgos. „Diese Arbeit zeigt nicht nur die Beobachtung einer suprafesten Phase in einer photonischen Plattform, sondern ebnet auch den Weg für die Erforschung von Quantenphasen der Materie in Nichtgleichgewichtssystemen“, erläutert Daniele Sanvitto, Leiter der Advanced Photonics Group am CNR Nanotec in Lecce. „Dies ist besonders wichtig, weil dieser Ansatz das Potenzial hat, die Lücke zwischen der Grundlagenforschung und praktischen Anwendungen zu schließen“, fügt er hinzu.
„Diese Arbeit zeigt die Universalität dieser Materiephase und eröffnet neue Perspektiven für die Realisierung eines Suprafestkörpers“, sagte Manuele Landini vom Institut für Experimentalphysik, der von Anfang an aktiv an dem Forschungsprojekt beteiligt war. Diese Entdeckung wird nachhaltige Wirkung für die Zukunft der Quantentechnologien haben, insbesondere für potenzielle Anwendungen in der neuromorphen Datenverarbeitung und fortschrittlichen photonischen Geräten. Die Forscher erkunden nun weitere Möglichkeiten, den suprafesten Zustand zu manipulieren und sein niederenergetisches Anregungsspektrum zu untersuchen.
Die Forschungsarbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem CNR National Institute of Optics, der Universität Pavia, der Princeton University, dem Lawrence Berkeley National Laboratory und der Universität Innsbruck durchgeführt. Das Projekt wurde von mehreren Programmen gefördert, darunter das National Quantum Science and Technology Institute (NQSTI) und die Europäische Union.
Publikation: Trypogeorgos, D. et al. Emerging supersolidity in photonic-crystal polariton condensates. Nature 2025 DOI: 10.1038/s41586-025-08616-9