HINWEISE AUF GELADENE WIRBEL IN EINER FLÜSSIGKEIT AUS NEUTRALEN PAAREN

In einem Suprafluid bewegen sich Teilchen gemeinsam als eine einzige Quantenwelle; ein Typ-II-Supraleiter leitet Strom ohne Widerstand. Versetzt man das Erste in Drehung oder bringt das Zweite in ein Magnetfeld, zeigen beide ein kennzeichnendes Merkmal: ein Gitter aus quantisierten Wirbeln, winzigen Strudeln, die jeweils eine feste, unteilbare Menge an Drehung tragen. In einer Flüssigkeit aus Exzitonen war ein solches Gitter unerreichbar geblieben: Exzitonen tragen keine elektrische Ladung.

Paare, die nichts tragen

Ein Exziton ist ein Elektron, das an ein Loch gebunden ist, die Lücke, die ein fehlendes Elektron hinterlässt. Mit Licht erzeugt, leben Exzitonen nur kurz, und da sie neutral sind, lassen sie sich elektrisch schwer untersuchen. Hält man die Partner getrennt, Elektronen in einer Schicht und Löcher in einer anderen, leben die Paare viel länger, und jede Schicht lässt sich einzeln verdrahten.

Weit genug abgekühlt, kondensieren solche Paare und teilen in der ganzen Flüssigkeit eine einzige Quanten-Phase – einen gemeinsamen Rhythmus –, ganz ähnlich wie die Elektronenpaare eines Supraleiters. Es gab elektrische Signaturen, doch ein eindeutiger Nachweis dieser globalen Phasenkohärenz war, so schreiben die Autoren, schwer fassbar geblieben.

Wohin die zusätzliche Ladung ginge

Was eine solche Flüssigkeit tun sollte: Fügt man in einem starken Magnetfeld ein paar zusätzliche Elektronen hinzu, sollte sich ihre Ladung in Bruchteile aufspalten, die sich in den Kernen von Wirbeln und Antiwirbeln niederlassen, Strudeln in der gemeinsamen Phase, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen. Normalerweise vernichten sich diese gegenseitig. Hier stoßen sich ihre geladenen Kerne ab, und 2025 sagten zwei der Autoren, Bo Zou und Allan MacDonald von der University of Texas at Austin, vorher, dass sie in einem Wabenmuster einrasten würden: Wirbel auf der einen Gruppe von Plätzen, mit ihrer Ladung in der oberen Schicht, Antiwirbel auf der anderen, in der unteren Schicht.

Anders als die Wirbel eines Supraleiters, die magnetischen Fluss tragen, tragen diese elektrische Ladung. Jede Zelle der Wabe enthält genau eine Elementarladung, die eines Elektrons. Je mehr Ladung also hinzukommt, desto kleiner die Zellen: Ihre Fläche schrumpft umgekehrt proportional zur zusätzlichen Ladung.

Zwei Kohlenstofflagen und eine Nadel

Ryan Lee, Jungwoo Lee, Viliam Vaňo und Kollegen aus der Gruppe von Ali Yazdani an der Princeton University stapelten zwei einatomige Graphenlagen im Abstand von 3,2 Nanometern – etwa drei Millionstel eines Millimeters –, mit einer Barriere aus hexagonalem Bornitrid vom japanischen National Institute for Materials Science, in einem Feld von 9 Tesla (das Tesla ist die Einheit der magnetischen Feldstärke). Dort bündeln sich die Energien der Elektronen zu Stufen, die Landau-Niveaus heißen. Zwei Spannungen legen fest, wie voll sie sind: Die eine, von einem Gate unter den Lagen, stellt die Gesamtladung ein; die andere verschiebt Ladung zwischen den Lagen. Füllen die Lagen zusammen eine ganze Zahl von Niveaus, jede nur teilweise, paart sich ein Elektron in der einen mit einem Loch in der anderen und bildet das Kondensat.

Das Team bildete es mit einem Rastertunnelmikroskop bei 0,2 Grad über dem absoluten Nullpunkt ab: Elektronen springen zwischen einer scharfen Spitze und der oberen Lage hin und her, und der Strom hängt davon ab, was darunter liegt, einschließlich der Ladung in Wirbelkernen.

Ein Gitter, das sich mit der Ladung verdichtet

Mit ein paar hinzugefügten oder entfernten Elektronen zeigten Strombilder defektfreier Bereiche von etwa 400 Nanometern Breite regelmäßige helle Punkte. Eine Fourier-Transformation, eine Rechnung, die ein sich wiederholendes Muster in scharfe Spitzen verwandelt, ergab sechs: ein Gitter mit sechszähliger Symmetrie.

Als Elektronen hinzukamen, wurde das Gitter dichter, sein Abstand sank von anfangs etwa 135 Nanometern auf etwa 60, nahe an der vorhergesagten Kurve. Es ging von dünn besetzt zu gut geordnet über und schmolz dann, als weitere hinzukamen. Die Punkte bilden ein Dreiecksmuster statt einer Wabe: Die Spitze erfasst die obere Lage, wo die Wirbel mehr Ladung tragen als die Antiwirbel darunter.

Der Test, an dem ein Elektronenkristall scheitert

Elektronen, die einander abstoßen, können auch von sich aus zu einem Gitter erstarren, einem Wigner-Kristall. Einer in der oberen Lage hätte einen Abstand, der allein von der Ladung dieser Lage bestimmt wird. In der Nähe des Kondensats ändert sich diese Ladung kaum, weil die untere Lage die obere gegen das Gate abschirmt; der gemessene Abstand änderte sich trotzdem. Unterhalb einer zusätzlichen Füllung von 0,17 eines Niveaus verfehlt die Vorhersage für den Wigner-Kristall die Daten deutlich.

Der entscheidende Test: Der Abstand des Wirbelgitters sollte nur von der gesamten zusätzlichen Ladung abhängen, nicht davon, wie die Lagen sie aufteilen, weil nur die Gesamtladung an die gemeinsame Phase koppelt. Das Team hielt die Gesamtladung fest und verschob Ladung zwischen den Lagen, wodurch sich die Füllung jeder Lage um bis zu 30 % änderte. Ein Wigner-Kristall in der oberen Lage hätte seinen Abstand um etwa 20 Nanometer verschoben. Der gemessene Abstand blieb bei etwa 60. Nur der Bildkontrast verblasste, als Ladung von Wirbeln in der oberen Lage zu Antiwirbeln in der unteren überging, ohne sie zu bewegen.

Nahe einer zusätzlichen Füllung von 0,17 nimmt die untere Lage keine Ladung mehr auf, und alle zusätzlichen Elektronen sitzen in der oberen. Dort nähert sich der Abstand dem eines gewöhnlichen Wigner-Kristalls in der oberen Lage an: der Übergang, den die Theorie vorhergesehen hatte.

Löcher zeichnen dasselbe Muster, umgekehrt

Wurden stattdessen Elektronen entfernt, entstand dieselbe Art von Gitter, sogar besser geordnet, vermutlich weil dieser Bereich weniger Unordnung enthält. Sein Kontrast ist umgekehrt, wie zu erwarten, wenn die Ladung in den Kernen das Vorzeichen wechselt, und sein Abstand folgt wiederum allein der gesamten zusätzlichen Ladung.

Was ein 400-Nanometer-Bild aussagen kann

In einem Supraleiter zeigt ein Wirbelgitter, das ein ganzes Bild überspannt, dass die Flüssigkeit ihre Phase mindestens über diese Entfernung behält. Hier setzt das Gitter, das das gesamte Bildfeld ausfüllt, eine Untergrenze von etwa 400 Nanometern für die Reichweite der Phasenkohärenz des Kondensats. Die Füllung jeder Lage wird zudem mit einem elektrostatischen Modell aus den beiden Spannungen berechnet, statt direkt gemessen.

Das Team präsentiert seine Bilder als Hinweis – das Wort im Titel lautet „Evidence“ – auf das vorhergesagte Gitter und auf Phasenkohärenz in einem Exzitonen-Suprafluid. Dasselbe Mikroskop könnte diese Strudel nun dabei verfolgen, wie sie sich bewegen, an Defekten hängen bleiben und schmelzen, in einem Suprafluid, das nur aus Elektronen besteht.