Feste Supraflüssigkeit

Einen neuartigen Aggregatzustand des Heliums haben möglicherweise Forscher in den USA entdeckt: Er ist fest und supraflüssig zugleich.

Bisher schien Helium-3 das interessantere der beiden natürlich vorkommenden Heliumisotope sein. Unterhalb von 2,7 Millikelvin treten die fermionischen Helium-3-Atome zu bosonischen Paaren zusammen, die ein supraflüssiges Bose-Einstein-Kondensat bilden. Für die Erklärung des suprafluiden Zustands des Helium-3 hatte Anthony Leggett im vergangenen Jahr den Physiknobelpreis erhalten. Um das bosonische Helium-4, das unterhalb von 2,176 Kelvin suprafluid wird, ist es hingegen in letzter Zeit recht still geworden. Das könnte sich bald ändern.

Wie Moses Chan und sein Doktorand Eun-Seong Kim von der Penn State University berichten, kann man gefrorenes Helium-4 mit geeigneten Mitteln in eine Art suprafluiden Zustand zwingen. Was zunächst wie ein Widerspruch in sich klingt, entpuppt sich als ein Quantenzustand, dessen ungewöhnliche Eigenschaften erst noch erforscht werden müssen.

Heisenbergs Unschärfebeziehung führt dazu, dass die Heliumatome wegen ihrer relativ geringen Masse auch am absoluten Temperaturnullpunkt eine merkliche Bewegungsenergie besitzen. Da sich die Heliumatome, im Gegensatz zu den noch leichteren Wasserstoffmolekülen, aber nur sehr schwach anziehen, bleibt Helium auch bei extrem tiefen Temperaturen flüssig. Nur wenn man es zusätzlich unter einen Druck von mindestens 25 bar setzt, gefriert es.

Auch in kristallinem Helium bewegen sich die Atome heftig um ihre Ruhelagen, ganz gleich wie tief die Temperatur ist. Es entstehen Leerstellen im Kristallgefüge, die umherwandern können. Auf diese Weise können sich Atome durch den Kristall bewegen. Kommt es bei weiterer Abkühlung von festem Helium-4 zu einer Bose-Einstein-Kondensation, so könnten die Atome eine Supraflüssigkeit bilden, die sich reibungsfrei bewegt. Frühere Experimente mit kristallinem Helium-4 hatten indes keine Hinweise auf solch einen „suprasoliden“ Zustand ergeben.

Kim und Chan vermuten, dass bei den früheren Experimenten einfach zu wenige Leerstellen vorhanden waren, um eine merkliche suprasolide Phase bilden zu können. Sie griffen deshalb zu einem Trick und ließen flüssiges Helium von einer kleinen porösen Glasscheibe aufnehmen. Die Glasscheibe war von einem komplizierten Geflecht aus nanometerdicken gewundenen Kanälen durchzogen. Dann setzten die Forscher das Helium unter Druck. Die feinen Kanäle hemmten die Kristallisation des in ihnen befindlichen Heliums, das deshalb erst bei einem Druck von 40 bar gefror. Außerdem führten sie dazu, dass das gefrorene Helium ungewöhnlich viele Leerstellen enthielt.

Die mit gefrorenem Helium gefüllte Glasscheibe wurde in ihrer Mitte an einem Stab befestigt, so dass sie Torsionsschwingungen ausführen konnte. Die Frequenz dieser Schwingungen haben die Forscher äußerst präzise gemessen, während sie die Temperatur von 0,02 K aus in kleinen Schritten erhöhten. Bei 0,175 K änderte sich die Schwingungsfrequenz des Torsionspendels sehr rasch in Abhängigkeit von der Temperatur. Kim und Chan führen dies darauf zurück, dass unterhalb von 0,175 K etwa 0,5 % der Heliumatome im Kristall „suprasolid“ sind. Sie können dann sich reibungsfrei durch das kristalline Helium bewegen und nehmen deshalb nicht mehr an der Pendelschwingung teil, deren Frequenz sich daraufhin vergrößert.

Bei Kontrollexperimenten mit kristallinem Helium-3 trat übrigens keine Veränderung der Schwingungsfrequenz auf. Das fermionische Helium-3 ging, wie erwartet, nicht in den suprasoliden Zustand über. Wurde die Schwingungsamplitude erhöht, so drehte sich die Glasscheibe schneller. Dort wo die Scheibe eine kritische Geschwindigkeit von ca. 0,3 mm/s überschritt, brach die Suprasolidität des Helium-4 zusammen. Die sich zunächst reibungsfrei bewegenden Atome wurden aus dem Kondensat herausgeschlagen und von der Scheibe mitgerissen, so dass sie wieder an der Schwingung der Scheibe teilnahmen. Die Schwingungsfrequenz verringerte sich entsprechend. Die kritische Geschwindigkeit für suprafluides Helium-4 in porösem Glas ist übrigens wesentlich größer: Sie liegt bei 200 mm/s.

Die beiden Forscher sind sich deshalb sicher, dass sie wirklich suprasolides Helium-4 beobachtet haben. Ob dies tatsächlich der Fall ist, werden Experimente in anderen Labors zeigen. Moses Chan denkt natürlich schon weiter. Er möchte als nächstes die thermischen, akustischen und anderen Eigenschaften des suprasoliden Helium-4 untersuchen.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  E. Kim und M. H. W. Chan, Probable observation of a supersolid helium phase, Nature 427, 225 (2004).
  http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature02220
• Kontakt:
  Moses Chan, E-Mail: chan@phys.psu.edu
• Moses Chans Gruppe:
  http://www.phys.psu.edu/people/display/index.html?person_id=21
• Eberly College of Science:
  http://www.science.psu.edu
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Weitere Literatur:

• John Beamish, Supersolid helium, Nature 427, 204 (2004).