Vorsicht, Glatteis!

Erster Suprafestkörper entdeckt

Zum ersten Mal ist Suprafluidität bei einem Festkörper beobachtet worden. Bei sehr tiefer Temperatur und sehr hohem Druck fließt 4He reibungsfrei, obwohl es sich im festen Aggregatzustand befindet. Die Entdecker sprechen von "supersolid".

Im Jahre 1938 wies der russische Tieftemperaturphysiker Piotr L. Kapitza nach, dass in flüssigem 4He (zusammengesetzt aus zwei Protonen und zwei Neutronen) die Viskosität verschwindet, das Material also reibungsfrei fließt, wenn es in die Nähe des Temperaturnullpunkts, auf unter 2,2 Kelvin, abgekühlt wird. Bei sehr tiefer Temperatur treten die Quanteneigenschaften der Heliumatome in den Vordergrund. 4He ist ein Boson, die Wellenfunktionen der 4He-Atome können sich daher kohärent überlagern - so wie es (für Photonen) in einem Laser geschieht. Die Atome bilden ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC). Eine wesentliche Eigenschaft Bose-Einstein-kondensierter Materie ist die von Kapitza beobachtete Suprafluidität, das supraflüssige Verhalten.

Inzwischen sind eine Reihe von Nobelpreisen (z. B. Ketterle 2001) für die Entdeckung und Erforschung von Bose-Einstein-kondensierten Systemen vergeben worden. Die Faszination, makroskopische Objekte zu untersuchen, deren Verhalten von quantenmechanischen Effekten dominiert wird, ist immens. Suprafluidität wurde für verschiedene atomare Gase und Flüssigkeiten, zuletzt sogar für Moleküle nachgewiesen - bisher jedoch nie bei fester Materie!

Diesen weißen Fleck auf der Weltkarte der Spitzenforschung haben jetzt zwei Physiker der Pennsylvania State University , Eun-Seong Kim und Moses H. W. Chan, ausgefüllt (Nature, Vol. 427, 15. Jan. 2004, S.225-227). Das Messprinzip ist genial einfach, der Teufel steckte im Detail des experimentellen Aufbaus. Was haben die beiden gemessen?

Stellen Sie sich einen schönen alten Blecheimer vor, mit einem Metallbügel und Griff zum Tragen. Füllen Sie ihn in Gedanken mit Eis. Denken Sie sich jetzt einen zweiten solchen Eimer, gefüllt mit Wasser. Nehmen Sie einen Eimer in jede Hand, lassen Sie die Arme herabhängen und versuchen Sie, die Eimer aus dem Handgelenk hin und her zu drehen. Auf welcher Seite geht es leichter?

Während das gesamte Eis die Drehung mitmacht, bleibt der größere Teil des Wassers unbewegt. Die Reibung mit der Wand ist zu gering, um es an der Drehung zu beteiligen. Auf dieser Seite bewegt sich im Wesentlichen nur der Eimer, das Trägheitsmoment ist kleiner, die Rotation schneller. Kim und Chan beobachteten bei gefrorenem 4He, dass unterhalb von 0,175 Kelvin das Trägheitsmoment einer rotierenden Probe abnahm und schlossen daraus auf das Auftreten suprafluider Bereiche innerhalb des Materials, die sich mangels Reibung von der Rotation "verabschieden".

Aber wie ist es überhaupt möglich, dass in einem Festkörper, also einer kristallinen Struktur, bei Temperatur nahe Null, ohne thermische Bewegung der Atome, Material fließt, geschweige denn reibungsfrei? Auch bei 0 Kelvin sorgt die Heisenberg'sche Unschärferelation für Bewegung, die sogenannte Nullpunktsbewegung. Im gefrorenen 4He gibt es daher Fehlstellen im Kristallgitter, auf die die Atome springen, ihrerseits eine Lücke hinterlassend, auf die ein weiteres Atom springt usw.

Kim und Chan legten ihren Versuchsaufbau so an, dass die Fehlstellen vermehrt wurden, indem sie das Helium in eine kleine Scheibe aus schwammartigem, von Poren und Kanälen durchzogenem Spezialglas (Vycor) einfüllten. Andere Versuche, bei denen die Suprafluidität nicht beobachtet wurde, enthielten diesen Kniff nicht. Wenn das feste 4He in ein BEC übergeht und die Reibung verschwindet, kann Material über die Fehlstellen im Kristallgitter fließen - in Kim und Chans Experiment zwischen 0,5% und 2,5% der gesamten Masse.

Für die Quantenphysik ist die Entdeckung dieser neuen Zustandsform der Materie ein großer Schritt. BECs sind Ausgangspunkte für hochspannende Forschung . (Hans Frey)

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