Rätselhaftes Helium

Neue Experimente mit suprasolidem Helium liefern widersprüchliche Ergebnisse.

Kann Helium-4 bei hohem Druck und tiefen Temperaturen kristallin und supraflüssig zugleich sein? Und wie lässt sich dieser seltsame „suprasolide“ Zustand erklären? Seit Eun-Seong Kim und Moses Chan von der Pennsylvania State University vor zwei Jahren erste experimentelle Hinweise auf suprasolides Helium gefunden hatten, hält dieser ungewöhnliche Aggregatzustand die Tieftemperaturphysiker in Atem. Jetzt sind neue experimentelle Resultate veröffentlicht worden, die die Beobachtungen von Kim und Chan einerseits bestätigen, andererseits aber bisherige Erklärungen in Frage stellen.

Kim und Chan hatten die Schwingungsdauer eines mit kristallinem Helium gefüllten Torsionspendels in Abhängigkeit von der Temperatur gemessen. Das Helium befand sich in einem zentimetergroßen metallischen Hohlzylinder, der zu Torsionsschwingungen um seine Achse angeregt wurde. Wenn das Helium unter 200 mK abgekühlt wurde, verringerte sich die Schwingungsperiode plötzlich. Ein Teil des Heliums machte dann offenbar nicht mehr bei den Schwingungen des Zylinders mit sondern blieb in Ruhe. Dabei verhielt dieser Teil wie eine Supraflüssigkeit, die durch den rotierenden Heliumkristall hindurchströmte. Inzwischen haben Forscher von der Keio Universität in Yokohama (Kondo et al.) und von der Cornell University (Rittner and Reppy) die Beobachtungen von Kim und Chan bestätigt.

Zur Erklärung des suprasoliden Zustands griffen Kim und Chan auf Überlegungen von Andreev und Lifshitz aus dem Jahre 1969 zurück. Demnach werden die Fehlstellen im Heliumkristall bei sehr tiefen Temperaturen durch quantenmechanisches Tunneln mobil und verhalten sich dann wie ein verdünntes Gas von Bosonen. Kommt es zu einer Bose-Einstein-Kondensation, ohne dass dabei die kristalline Ordnung des festen Heliums zerstört wird, hat man gleichzeitig eine Supraflüssigkeit und einen Kristall aus Helium – suprasolides Helium eben. Ein ähnlicher kristalliner und zugleich suprafluider Zustand könnte auch in Hochtemperatursupraleitern auftreten, wodurch sich das große Interesse der Supraleitungs-Community an den Ergebnissen über das suprasolide Helium erklärt.

Doch jetzt haben Experimente von Ann Sophie Rittner and John D. Reppy erneut die Frage aufgeworfen, ob es im suprasoliden Helium tatsächlich zu einer Bose-Einstein-Kondensation der Kristallfehlstellen kommt. Die beiden Forscher hatten zunächst ebenfalls unterhalb von 200 mK eine plötzliche Verringerung der Schwingungsperiode eines mit festem Helium gefüllten Torsionspendels beobachtet. Da der Hohlraum ihres Pendels nicht kreisförmigen sondern quadratischen Querschnitt hatte, konnten sie ausschließen, dass das suprafluide Helium als dünne Randschicht um den festen Heliumkern herum fließt. Es musste das feste Helium durchströmen, wenn es nicht an seinen Bewegungen teilnehmen wollte. Als Rittner und Reppy jedoch das feste Helium erwärmten (ohne es dabei zu schmelzen) und anschließend sehr langsam wieder abkühlten, blieb eine Verringerung der Schwingungsperiode aus. Sie scheint also keine universelle Eigenschaft des Heliums zu sein sondern sie hängt von der kristallinen Ordnung im festen Helium ab, die sich durch das Tempern verbessern lässt.

Demnach wäre ein Teil des Heliums im Torsionspendel suprafluid und könnte durch mikroskopische Risse oder entlang von Korngrenzen durch das feste Helium fließen. Beim Tempern des Heliums werden diese Kristallfehler beseitigt und somit die Schlupflöcher für das suprafluide Helium versperrt. Mit dieser Interpretation stimmen auch Beobachtungen überein, die S. Sasaki und Mitarbeiter von der École Normale Supérieure in Paris an einem mit festem Helium gefüllten Glasröhrchen gemacht haben, das von supraflüssigem Helium durchströmt wurde. Dabei zeigte sich, dass die Supraflüssigkeit umso besser vorankam, je mehr Korngrenzen das kristalline Helium enthielt. Die Atome in den Korngrenzen waren Teil der Supraflüssigkeit, sodass die Korngrenzen gewissermaßen selbst suprafluid wurden. Kristalle ohne Korngrenzen konnte das Suprafluid nicht durchqueren.

Allerdings haben auch Kim und Chen jetzt den Einfluss des Temperns auf das suprasolide Verhalten des Heliums untersucht. Dabei kühlten sie das zuvor erwärmte kristalline Helium fünfmal langsamer ab, als es Rittner und Reppy getan hatten. Kristallfehler und Korngrenzen hatten somit noch mehr Zeit sich aufzulösen. Wie Kim und Chen jedoch berichten, wurde durch das Tempern in keiner von mehr als 50 Proben die Suprasolidität unterdrückt. Der suprasolide Anteil des Heliums verringerte sich durch die Wärmebehandlung allenfalls um 15 %. Andererseits zeigt eine Präzisionsmessung der Schmelzkurve von Helium-4, die kürzlich an der Helsinki University of Technology durchgeführt wurde, im Temperaturbereicht von 10 bis 400 mK keinerlei Anzeichen eines suprasoliden Phasenübergangs. Angesichts der zahlreichen, teilweise widersprüchlichen Ergebnisse meinte der Physiknobelpreisträger Anthony Leggett: „Wir verstehen festes Helium nicht annähernd so gut, wie wir es vor drei Jahren zu verstehen glaubten.“

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  Ann Sophie C. Rittner and John D. Reppy: Observation of Classical Rotational Inertia and Nonclassical Supersolid Signals in Solid ⁴He below 250 mK. Phys. Rev. Lett. 97, 165301 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.165301
  http://arxiv.org/abs/cond-mat/0604528
  I. A. Todoshchenko et al.: Melting Curve of ⁴He: No Sign of a Supersolid Transition down to 10 mK. Phys. Rev. Lett. 97, 165302 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.165302
  http://arxiv.org/abs/cond-mat/0607081
• John D. Reppy:
  http://www.physics.cornell.edu/profpages/Reppy.htm
• Interface-Gruppe am Low Temperature Laboratory, Helsinki University of Technology:
  http://ltl.tkk.fi/research/optical/index.html