Der ursprüngliche magneto-optische Faraday-Effekt wurde 1845 von Michael Faraday entdeckt und beschreibt die Wirkung eines magnetischen Feldes auf Lichtwellen. Damit läßt sich zum Beispiel die Entfernung astrophysikalischer Lichtquellen festzustellen, wenn diese polarisiertes Licht emittieren, das mit dem durchquerten interstellaren magnetischen Feld wechselwirkt. Aufgrund unseres Wissens über dieses Magnetfeld läßt sich nachweisen, wie stark die Polarisationsrichtung des Lichtes dabei gedreht wurde. Damit können Astronomen die Entfernung der Lichtquelle abschätzen.

Der akustische Faraday-Effekt, der die Wirkung eines Magnetfeldes auf Schallwellen beschreibt, ist millionenfach stärker als die magneto-optische Variante. Im akustischen Bereich erwartet man, daß die Kompressionswellen (Dichteschwankungen) des Schalls sich entlang der Ausbreitungsrichtung fortpflanzen. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei Licht um eine transversale Welle – die Oszillationen finden senkrecht zur Ausbreitungsrichtung statt.

Wie William Halperin und seine Kollegen von der Northwestern University in Evanston, Illinois, in Nature vom 29. Juli 1999 berichten, kühlten sie für ihre Untersuchung Helium-3 in mehreren Schritten bis auf eine Temperatur von nur einem Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius) ab. Das Helium befindet sich dabei innerhalb einer supraleitenden Zylinderspule und enthält zwei Quarz-Ultraschallgeneratoren, deren Zwischenraum durch zwei parallele goldbeschichtete Wolfram-Drähte gebildet wird. Der eine Generator wird für die Anregung und den Nachweis des transversalen Schalls benutzt, der andere hat die entsprechenden Aufgaben für die longitudinalen Schallwellen.

Bei den tiefen Temperaturen verliert das Helium-Isotop all seine innere Reibung und wird superfluid. Es ist dann in der Lage, aufwärts zu fließen und sogar an den Wänden seines Behälters hochzukriechen. Die Quantenmechanik bedingt dabei ein kollektives Verhalten der Helium-Atome, das bei höheren Temperaturen nicht zu beobachten ist. Unter diesen Bedingungen konnten die Wissenschaftler den akustischen Faraday-Effekt in superfluidem Helium-3 nachweisen. Der theoretische Physiker und Coautor Saul James hatte diesen Effekt als Nachweis für transversale Schallwellen vorgeschlagen, deren Existenz bereits vor 1957 vom russischen Physiker Lew Landau vorhergesagt worden waren.

"Faradays Entdeckung war der erste Hinweis darauf, daß Licht und Magnetismus miteinander verwandt sind", sagt Halperin. "Ich würde zwar nicht behaupten, daß unsere Entdeckung von derselben Wichtigkeit ist, aber sie bedeutet die erste Beobachtung einer bislang unbekannten Art der Wellenausbreitung in einer Flüssigkeit – von einem Typ, den man eher bei Festkörpern erwarten würde." Sauls fügt hinzu: "Es gibt noch weitere natürliche Oszillationweisen in Quantenflüssigkeiten, die nicht leicht zu untersuchen sind, solange man die transversale Weise nicht kennt. Es könnte möglich sein, diese als spektroskopisches Werkzeug für die Untersuchung der anderen Schwingungsarten zu verwenden."

Siehe auch

• Spektrum Ticker vom 8.1.1998
  "Das Geheimnis des superfluiden Heliums"
  (nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
  
• Spektrum der Wissenschaft 12/96, Seite 30
  "Nobelpreis für Physik – Superfluidität von Helium-3"
  (nur für Heft-Abonnenten online zugänglich)