Tieftemperaturphysik: Helium-4 pfeift sich was
Manche mögen es abstrus. Auf Quantenebene, bei Supraleitern und Supraflüssigkeiten sagen die Theorien Effekte voraus, die sich oftmals erst Jahrzehnte später bestätigen lassen. So hat es vierzig Jahre gedauert, bis Wissenschaftler endlich über Kopfhörer Helium richtig pfeifen hörten.
Helium ist eine feine Sache. Auf Fachschaftsfeiern kann man damit den tiefsten Bass wie Micky Maus quietschen lassen, und sogar für die ernsthafte Forschung am nächsten Tag ist es zu gebrauchen. Vor allem für Experimente knapp über dem absoluten Nullpunkt der Temperaturskala nutzen Wissenschaftler es gerne. Unterhalb von 2,814 Kelvin wird das Heliumisotop 4He nämlich allmählich suprafluid. Es strömt reibungslos durch Kapillaren und kann in ringförmigen Anordnungen Ströme über lange Zeit mit sich herumtragen. Der Grund ist – wie könnte es anders sein –, dass Helium-4 im suprafluiden Zustand den Gesetzen der Quantenmechanik folgt, und die sind bekanntlich ein wenig seltsam.
Genauso seltsam wie bei Supraleitern – jenen Materialien, in denen Elektronenpaare herumflitzen, als sei der elektrische Widerstand noch nicht erfunden. Bringt man zwei solche Supraleiter dicht zusammen, sodass sie nur eine dünne Isolierschicht trennt, fließt auch ohne angelegte Spannung ein kleiner Strom. Statt aus Respekt vor dem Isolator zu verweilen, nutzen die Elektronenpaare den quantenmechanischen Tunneleffekt und erzeugen so den Josephson-Gleichstrom. Legt man sodann eine elektrische Spannung an die Supraleiter, geschieht abermals etwas Merkwürdiges: Die Tunnelwahrscheinlichkeiten ändern sich, und es fließt plötzlich der Josephson-Wechselstrom. Weil der gute Brian Josephson diesen Effekt theoretisch genau beschrieben hat, sprechen Physiker respektvoll vom Josephson-Effekt, zu dem gleich noch eine Josephson-Oszillation mit einer Josephson-Frequenz gehört.
Eben diesen Josephson-Effekt soll es – nach der Theorie – auch bei suprafluidem Helium-4 geben. So viel ist seit vierzig Jahren bekannt, was fehlte, war der experimentelle Beweis. Denn mit Quantenmechanik zu rechnen, ist eine Sache, sie im Labor in unsere makroskopische Welt zu locken, eine ganz andere. Doch nun haben drei Forscher um Richard Packard von der Universität von Kalifornien in Berkeley das Helium unter Druck gesetzt, "bis der Vogel gesungen hat", wie es in einer anderen Branche treffenderweise heißen würde.
Die Wissenschaftler gaben das Helium in zwei Becken, die durch eine dünne Membran voneinander getrennt waren. In der Membran befanden sich 65 mal 65 eng benachbarte Löcher mit Durchmessern um die siebzig Nanometer. Erhöhte Packards Team den Druck in einer Kammer, floss zum Ausgleich Helium auf die andere Seite, wobei es gemäß Josephsons Effekt oszillierte. Da die Frequenzen im Bereich einiger Kilohertz lagen, konnten die Forscher das Helium sogar über Kopfhörer pfeifen hören.
Bei Supraflüssigkeiten lässt sich der Josephson-Effekt vermutlich nur als Folge der kohärenten Schwingung an mehreren Öffnungen beobachten, sagen die Physiker. In Versuchsaufbauten mit nur einem Nanoloch bleibt das Helium nämlich stumm. Wieso dass so ist, muss noch genauer erforscht werden. Vielleicht war es dem Helium peinlich, selber einmal wie Micky Maus zu klingen. Oder Supraflüssigkeiten sind selbst in ihrer quantenmechanischen Seltsamkeit seltsam. Jedenfalls wird sich bestimmt ein Team finden, das der Sache auf den Grund geht – selbst, wenn es nochmals vierzig Jahre dauern sollte.
Genauso seltsam wie bei Supraleitern – jenen Materialien, in denen Elektronenpaare herumflitzen, als sei der elektrische Widerstand noch nicht erfunden. Bringt man zwei solche Supraleiter dicht zusammen, sodass sie nur eine dünne Isolierschicht trennt, fließt auch ohne angelegte Spannung ein kleiner Strom. Statt aus Respekt vor dem Isolator zu verweilen, nutzen die Elektronenpaare den quantenmechanischen Tunneleffekt und erzeugen so den Josephson-Gleichstrom. Legt man sodann eine elektrische Spannung an die Supraleiter, geschieht abermals etwas Merkwürdiges: Die Tunnelwahrscheinlichkeiten ändern sich, und es fließt plötzlich der Josephson-Wechselstrom. Weil der gute Brian Josephson diesen Effekt theoretisch genau beschrieben hat, sprechen Physiker respektvoll vom Josephson-Effekt, zu dem gleich noch eine Josephson-Oszillation mit einer Josephson-Frequenz gehört.
Eben diesen Josephson-Effekt soll es – nach der Theorie – auch bei suprafluidem Helium-4 geben. So viel ist seit vierzig Jahren bekannt, was fehlte, war der experimentelle Beweis. Denn mit Quantenmechanik zu rechnen, ist eine Sache, sie im Labor in unsere makroskopische Welt zu locken, eine ganz andere. Doch nun haben drei Forscher um Richard Packard von der Universität von Kalifornien in Berkeley das Helium unter Druck gesetzt, "bis der Vogel gesungen hat", wie es in einer anderen Branche treffenderweise heißen würde.
Die Wissenschaftler gaben das Helium in zwei Becken, die durch eine dünne Membran voneinander getrennt waren. In der Membran befanden sich 65 mal 65 eng benachbarte Löcher mit Durchmessern um die siebzig Nanometer. Erhöhte Packards Team den Druck in einer Kammer, floss zum Ausgleich Helium auf die andere Seite, wobei es gemäß Josephsons Effekt oszillierte. Da die Frequenzen im Bereich einiger Kilohertz lagen, konnten die Forscher das Helium sogar über Kopfhörer pfeifen hören.
Bei Supraflüssigkeiten lässt sich der Josephson-Effekt vermutlich nur als Folge der kohärenten Schwingung an mehreren Öffnungen beobachten, sagen die Physiker. In Versuchsaufbauten mit nur einem Nanoloch bleibt das Helium nämlich stumm. Wieso dass so ist, muss noch genauer erforscht werden. Vielleicht war es dem Helium peinlich, selber einmal wie Micky Maus zu klingen. Oder Supraflüssigkeiten sind selbst in ihrer quantenmechanischen Seltsamkeit seltsam. Jedenfalls wird sich bestimmt ein Team finden, das der Sache auf den Grund geht – selbst, wenn es nochmals vierzig Jahre dauern sollte.
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