Abschied vom fließenden Heliumkristall

Neue Experimente legen nahe, dass Unordnung im Heliumkristall und herkömmliche Suprafluidität für die Suprasolidität verantwortlich sind.

Eine Zeitlang sah es so aus, als könnte kristallines Helium-4 zugleich auch suprafluid sein. Diesen neuartigen „suprasoliden“ Aggregatzustand glaubten Eun-Seong Kim und Moses Chan von der Pennsylvania State University vor drei Jahren entdeckt zu haben. Doch zahlreiche experimentelle und theoretische Untersuchungen, die seither durchgeführt wurden, haben Zweifel daran aufkommen lassen. Neue Experimente von der Cornell University legen nahe, dass Unordnung im Heliumkristall und herkömmliche Suprafluidität für die Suprasolidität verantwortlich sind.

Ann Sophie Rittner and John Reppy haben das ursprüngliche Experiment von Kim und Chan soweit verbessert, dass sie den Grad der kristallinen Unordnung im untersuchten Heliumkristall kontrollieren konnten. Das Helium füllten sie in flüssiger Form in einen metallischen Hohlzylinder ein, dessen Volumen sich durch Einsätze variieren ließ. Durch Abkühlung unter 1 K und bei einem Druck von mehr als 40 bar ließen die Forscher das Helium kristallisieren. Der heliumgefüllte Hohlzylinder war Teil eines Torsionspendels und konnte um seine Längsachse Schwingungen ausführen. Die Schwingungsperiode war umso größer, je größer das Trägheitsmoment des gefüllten Zylinders war.

Kim und Chang hatten in ihrem Experiment beobachtet, dass sich diese Schwingungsperiode plötzlich verringerte, wenn das Helium unter 200 mK abgekühlt wurde. Sie erklärten dies damit, dass ein Teil der Atome im kristallinen Helium nicht mehr an den Schwingungen des Pendels teilnahm, weil er suprafluid geworden war und durch den rotierenden Kristall hindurchströmte. Die Möglichkeit eines solchen suprasoliden Verhaltens hatten Andreev und Lifshitz 1969 diskutiert. Demnach können bei sehr tiefen Temperaturen Fehlstellen im Kristall durch quantenmechanisches Tunneln mobil werden und sich wie ein Bose-Gas verhalten. Tritt eine Bose-Einstein-Kondensation auf, ohne die kristalline Ordnung zu zerstören, so hat man einen Kristall mit suprafluiden Eigenschaften.

Weitere theoretische Untersuchungen ließen indes vermuten, dass ein kommensurabler Kristall, ohne räumliche Modulationen der Kristallstruktur, nicht in einen suprasoliden Zustand kommen sollte. Da die Kristallstruktur des Heliums kommensurabel, hatte die von Kim und Chang beobachtete Verringerung des Trägheitsmoments wohl nichts mit einer suprasoliden Phase zu tun. Möglicherweise hatten sie polykristallines Helium untersucht, entlang dessen Korngrenzen normale Suprafluidität aufgetreten war. Rittner und Reppy haben dies jetzt überprüft, indem sie bei ihren Experimenten entweder möglichst perfekte oder möglichst ungeordnete Heliumkristalle benutzten.

Die perfekten Kristalle stellten sie her, indem sie das Helium sehr langsam unter 1 K abkühlten. Während dieses Temperns, das mehrere Stunden dauerte, konnten die meisten Kristallfehler ausheilen. Bei anschließenden Messungen der Schwingungsperiode des Torsionspendels zeigten sich nur noch sehr schwache Spuren von suprasoliden Verhalten. Der Bruchteil der Heliumatome, die von der Rotation des Kristalls abgekoppelt waren, lag deutlich unter einem Prozent.

Ein ganz anderes Resultat erhielten die Forscher, wenn sie das Helium in einem Hohlraum mit relativ großer Oberfläche extrem schnell unter 1 K abkühlten. Statt mehrer Stunden dauerte die Abkühlung nur 90 Sekunden. Dabei entstand polykristallines Helium mit zahllosen Korngrenzen. Wie die Messungen mit dem Torsionspendel zeigten, entkoppelten jetzt bis zu 20 % der Heliumatome von den Rotationen der polykristallinen Probe. Offensichtlich spielte die Unordnung im Heliumkristall eine entscheidende Rolle beim Auftreten des suprasoliden Verhaltens. Nach Meinung der Forscher ist es jedoch nur schwer vorstellbar, dass ein Fünftel der Heliumatome einer polykristallinen Probe in den Korngrenzen sitzt und suprafluid wird – wie es die experimentellen Ergebnisse nahe zu legen scheinen. Stattdessen sollte man in diesem Fall davon ausgehen, dass sich das Helium in einem amorphen, glasartigen Zustand befindet, in dem es bei hinreichend tiefer Temperatur suprasolid wird. Mit einem suprasoliden Heliumglas könnten sich auch die Theoretiker anfreunden. Es ist zwar nicht ganz so rätselhaft wie ein suprafluider Kristall, wirft aber dennoch viele interessante Fragen auf.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  Ann Sophie C. Rittner und John D. Reppy: Disorder and the Supersolid State of Solid ⁴He. Phys. Rev. Lett. 98, 175302 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.175302
  http://arxiv.org/abs/cond-mat/0702665
• John D. Reppy:
  http://www.physics.cornell.edu/profpages/Reppy.htm
• Moses Chan:
  http://www.phys.psu.edu/~chan/