News: Reibunglos?
Gerade einen Monat ist er her, dass der Nobelpreis für Physik unter anderem für Erkenntnisse auf dem Gebiet der Supraflüssigkeiten verliehen wurde - seltsame Fluide, die reibungslos durch enge Kapillaren strömen. Nun bekommen diese Flüssigkeiten vielleicht feste Gesellschaft.
© (Ausschnitt)
Es war im Jahr 1938, als Pjotr Kapiza zum ersten Mal eine ungewöhnliche Beobachtung machte: Der Physiker stellte fest, dass das Helium-Isotop mit der Massenzahl vier unterhalb einer Temperatur von etwa zwei Kelvin offenbar seine Viskosität verliert – also ohne Reibung durch enge Kapillaren strömt – und sogar selbständig die Wände eines Gefäßes hoch kriecht. Wie sich später herausstellen sollte, ist es die Quantennatur des Heliums, die bei diesem Phänomen zum Vorschein kommt.
So handelt es sich bei Helium-4 um Bosonen. Das sind Teilchen, die unterhalb einer gewissen Temperatur allesamt in ein und denselben Zustand übergehen können – kondensieren sagen Physiker auch in Analogie zu dem Phasenübergang zwischen flüssig und fest. Im Kondensat verlieren die Atome also ihre Eigenständigkeit und verhalten sich wie ein einziges Teilchen. Nur so lässt sich das seltsam anmutende Verhalten von Supraflüssigkeiten erklären.
Dabei sind es längst nicht nur Flüssigkeiten, die ein Quantenkondensat bilden. Auch Gase können das, Bose-Einstein-Kondensate genannt. Gasförmig, flüssig – da fehlt doch etwas. Richtig! Auch für Festkörper haben Wissenschaftler bereits Ende der sechziger, Anfang der siebziger Jahre theoretisch einen suprafluiden Zustand vorhergesagt. Allein der Nachweis gelang bis heute nicht.
Doch genau das könnten Eun-Seong Kim und Moses Chan von der Pennsylvania State University geschafft haben. Zumindest berichten die Forscher nun über ein Experiment, das diesen Schluss nahe legt. So ließen sie bei hohen Drücken von bis zu sechs Megapascal und Temperaturen deutlich unterhalb von einem Kelvin Helium-4 in den winzigen Poren eines schwammartigen Glases kristallisieren. Dann kühlten sie die Apparatur weiter ab und hielten nach Hinweisen von Suprafluidität Ausschau. Aber wie stellt man fest, ob ein Material suprafluid wird, wenn es in kleinen Kämmerchen einer anderen porösen Substanz steckt?
Das Prinzip ist so ähnlich wie der Test, ob ein Ei gekocht oder roh ist: Man versetzt die Probe in Drehung beziehungsweise lässt sie periodisch hin und her um die eigene Achse rotieren. Wenn sich nun die Oszillationsperiode während des Abkühlens signifikant ändert, dann könnte das ein Hinweis auf Suprafluidität sein, denn offenbar hat sich in diesem Fall das Trägheitsmoment des Körpers verändert. Diese Größe ist ein Maß für den Widerstand, den der Körper einer Änderung seiner Drehbewegung entgegensetzt. Und die Drehung sollte tatsächlich leichter vonstatten gehen. Denn wenn die winzigen Helium-4-Bröckchen in den Poren suprafluid sind, dann sollte keine Reibung mit dem umgebenden Material mehr auftreten und der Beitrag der Bröckchen zum Trägheitsmoment der gesamten Probe entsprechend schwinden.
In der Tat konnten Chan und Kim einen Einbruch bei der Oszillationsperiode unterhalb von 175 Millikelvin beobachten. Und auch die Gegenprobe war erfolgreich: So zeigte Helium-3, das theoretisch nicht in einem suprafluiden Festkörper kondensiert, keinen Einbruch in der Oszillationsperiode. Vieles spricht also dafür, dass tatsächlich zum ersten Mal suprafluides Verhalten bei einem Festkörper beobachtet wurde. Doch noch geben sich die Wissenschaftler vorsichtig.
So handelt es sich bei Helium-4 um Bosonen. Das sind Teilchen, die unterhalb einer gewissen Temperatur allesamt in ein und denselben Zustand übergehen können – kondensieren sagen Physiker auch in Analogie zu dem Phasenübergang zwischen flüssig und fest. Im Kondensat verlieren die Atome also ihre Eigenständigkeit und verhalten sich wie ein einziges Teilchen. Nur so lässt sich das seltsam anmutende Verhalten von Supraflüssigkeiten erklären.
Dabei sind es längst nicht nur Flüssigkeiten, die ein Quantenkondensat bilden. Auch Gase können das, Bose-Einstein-Kondensate genannt. Gasförmig, flüssig – da fehlt doch etwas. Richtig! Auch für Festkörper haben Wissenschaftler bereits Ende der sechziger, Anfang der siebziger Jahre theoretisch einen suprafluiden Zustand vorhergesagt. Allein der Nachweis gelang bis heute nicht.
Doch genau das könnten Eun-Seong Kim und Moses Chan von der Pennsylvania State University geschafft haben. Zumindest berichten die Forscher nun über ein Experiment, das diesen Schluss nahe legt. So ließen sie bei hohen Drücken von bis zu sechs Megapascal und Temperaturen deutlich unterhalb von einem Kelvin Helium-4 in den winzigen Poren eines schwammartigen Glases kristallisieren. Dann kühlten sie die Apparatur weiter ab und hielten nach Hinweisen von Suprafluidität Ausschau. Aber wie stellt man fest, ob ein Material suprafluid wird, wenn es in kleinen Kämmerchen einer anderen porösen Substanz steckt?
Das Prinzip ist so ähnlich wie der Test, ob ein Ei gekocht oder roh ist: Man versetzt die Probe in Drehung beziehungsweise lässt sie periodisch hin und her um die eigene Achse rotieren. Wenn sich nun die Oszillationsperiode während des Abkühlens signifikant ändert, dann könnte das ein Hinweis auf Suprafluidität sein, denn offenbar hat sich in diesem Fall das Trägheitsmoment des Körpers verändert. Diese Größe ist ein Maß für den Widerstand, den der Körper einer Änderung seiner Drehbewegung entgegensetzt. Und die Drehung sollte tatsächlich leichter vonstatten gehen. Denn wenn die winzigen Helium-4-Bröckchen in den Poren suprafluid sind, dann sollte keine Reibung mit dem umgebenden Material mehr auftreten und der Beitrag der Bröckchen zum Trägheitsmoment der gesamten Probe entsprechend schwinden.
In der Tat konnten Chan und Kim einen Einbruch bei der Oszillationsperiode unterhalb von 175 Millikelvin beobachten. Und auch die Gegenprobe war erfolgreich: So zeigte Helium-3, das theoretisch nicht in einem suprafluiden Festkörper kondensiert, keinen Einbruch in der Oszillationsperiode. Vieles spricht also dafür, dass tatsächlich zum ersten Mal suprafluides Verhalten bei einem Festkörper beobachtet wurde. Doch noch geben sich die Wissenschaftler vorsichtig.
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