Supraflüssigkeit aus Magneten

Erstmals ist es gelungen, die Eigenschaften reibungsfreier Supraflüssigkeiten mit denen klassischer Ferroflüssigkeiten zu kombinieren.

Wissenschaftlern des 5. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart ist es erstmals gelungen, eine Supraflüssigkeit aus Magneten herzustellen. Dieser neuartige Zustand der Materie kombiniert die Eigenschaften reibungsfreier Supraflüssigkeiten mit denen klassischer Ferroflüssigkeiten, vielfältige technische Anwendungen finden. Die ultrakalte Quantenflüssigkeit wird jetzt auf ihre ungewöhnlichen Eigenschaften hin untersucht. Über die Ergebnisse berichtet die Zeitschrift „Nature“.

Quantenphänomene finden sich typischerweise in der Welt der kleinsten Teilchen. So lassen sich zum Beispiel die Zustände von Elektronen auf ihrem Weg um einen Atomkern ohne die Quantenmechanik nicht verstehen. Es gibt jedoch auch makroskopische Quantenphänomene wie zum Beispiel die Supraleitung oder die verwandte Supraflüssigkeit. Dort wird das Verhalten sehr vieler Teilchen durch einen einzigen effektiven makroskopischen Quantenzustand beschrieben. In Supraflüssigkeiten oder bei der Supraleitung können dies viele Milliarden Teilchen sein, die zu dem Quantenverhalten beitragen. Ein charakteristisches Phänomen, das diese Zustände interessant macht, ist das Verschwinden von elektrischem Widerstand oder der Viskosität (Zähigkeit) einer Flüssigkeit.

Klassische so genannte Ferroflüssigkeiten sind schon seit einiger Zeit bekannt. Die jetzt hergestellte Quantenferroflüssigkeit besteht aus magnetischen Atomen (Chrom), die in einem stark unterkühlten Gas einen Phasenübergang zu einem Bose Einstein Kondensat durchlaufen. Diese Kondensate sind Supraflüssigkeiten mit verschwindender Viskosität. Den Stuttgarter Wissenschaftlern ist es gelungen, in dieser Flüssigkeit die magnetische Wechselwirkung zwischen den Teilchen so zu steuern, dass sie wie in einer Ferroflüssigkeit die Eigenschaften des Kondensats stark bestimmt. So richtet sich diese Flüssigkeit zum Beispiel an einem Magnetfeld aus und wird in ein solches hineingezogen. Dabei machen sie sich eine so genannte Feshbach-Resonanz (benannt nach dem Amerikanischen Physiker Herman Feshbach) zu Nutze.

Als nächsten Schritt werden die Stuttgarter Wissenschaftler die Eigenschaften einer solchen neuartigen Flüssigkeit untersuchen. Sie erwarten beispielsweise, dass die Flüssigkeit unter bestimmten Umständen instabil wird und sich von selbst in kleine Tröpfchen aufteilt - ein Phänomen, das mit dem Verhalten von Regentropfen auf einer Windschutzscheibe vergleichbar ist. Untersucht wird auch, ob sich mit diesen Chrom-Kondensaten auf unkonventionelle Weise Nanostrukturen herstellen lassen.

Die Arbeiten sind Teil des transregionalen Sonderforschungsbereichs SFB/TR 21, bei dem die Uni Stuttgart Sprecherhochschule ist. Der SFB mit dem Titel „Control of quantum correlations in tailored matter“ (Co.Co.Mat) hat sich unter anderem die Aufgabe gestellt, neue Arten solcher Quantenzustände der Materie aufzuspüren. Daraus ergeben sich unter anderem neue wissenschaftliche Anwendungen für ultrakalte Gase.

Quelle: Universität Stuttgart

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Thierry Lahaye, Tobias Koch, Bernd Fröhlich, Marco Fattori, Jonas Metz, Axel Griesmaier, Stefano Giovanazzi und Tilman Pfau, Strong dipolar effects in a quantum ferrofluid, Nature 448, 672 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06036
  http://www.pi5.uni-stuttgart.de/publications/arxive0706.1670.pdf (Preprint)
• 5. Physikalisches Institut, Universität Stuttgart:
  http://www.pi5.uni-stuttgart.de