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News: Experimente, die Wellen schlagen

Helium ist nicht nur für Kinder eine tolle Sache, die Luftballons damit aufsteigen lassen, sondern auch für Physiker, denen besonders kaltes Helium dabei hilft, die Eigenschaften der Materie zu verstehen. Und so erhoffen die Wissenschaftler sich neue Erkenntnisse aus dem letzten experimentellen Erfolg: Es ist ihnen gelungen, winzige Wellen in flachen Tropfen von supraflüssigem Helium-3 zu erzeugen.
Die Wissenschaftler der University of California in Berkeley haben es geschafft, auf einem "Meer" aus supraflüssigem Helium-3 Oberfächenwellen zu schlagen. Ihre Probe war dabei lediglich 200 Atome tief – viel zu wenig für Wellen in gewöhnlichen Flüssigkeiten.

In Supraflüssigkeiten sind Oberflächenwellen, die auch als "dritter Schall" bezeichnet werden, durchaus möglich. Während bei normalen Flüssigkeiten die einzelnen Teilchen an ihrem Ort verharren, da das Medium einfach zu dick oder zähflüssig ist, um sich in der flachen Schicht zu bewegen, schwappen die Teilchen des flüssigen Heliums dagegen ungehindert vor und zurück. Die Wissenschaftler Seamus Davis und Richard Packard sowie ihre Doktoranden Andrew Schechter und Raymond Simmonds berichteten in Nature vom 10. Dezember 1998, wie es ihnen gelungen ist, als erste den "dritten Schall" in supraflüssigem Helium-3 hervorzurufen.

Mit supraflüssigem Helium-4 ist das Experiment bereits mehrfach durchgeführt worden, doch mit Helium-3 gestaltete sich der Versuch deutlich schwieriger, da die Temperaturen 1000mal tiefer sein müssen, damit Helium-3 suprafluid wird. "Jetzt wissen wir, daß das Wellen-ähnliche Phänomen auch in supraflüssigem Helium-3 tatsächlich existiert und wir seine Geschwindigkeit messen können, um unsere anderen Erwartungen zu bestätigen", bemerkte Davis.

Die von Davis und Packard entwickelte Technik, um eine flache Probe von Helium-3 zu erzeugen, könnte auch bei der Beantwortung vieler weiterer Fragen zu Supraflüssigkeiten nützlich sein. Es ist nämlich einfacher, in einem äußerst dünnen, zweidimensionalen Film nach Quantenphänomenen zu suchen, als in der gesamten Supraflüssigkeit als solche. "Materialien mit nur zwei Dimensionen eignen sich sehr gut, um physikalische Theorien zu testen", erläuterte Davis. "In mehr Dimensionen ist dies nicht möglich, doch wir wissen sehr wohl, wie wir mit kleineren Systemen arbeiten müssen, um unsere Berechnungen zu überprüfen. Daher ist es sehr wichtig, daß wir Experimente an zweidimensionalen Systemen durchführen können."

Zu den Erscheinungen, nach denen Packard und Davis suchen wollen, gehört das supraflüssige Äquivalent des bei Supraleitern zu beobachtenden Hall-Effektes sowie ein analoger Quanten-Hall-Effekt. "Für Flüssigkeiten ist der Hall-Effekt unbekannt, doch für supraflüssiges Helium-3 wurde er vorhergesagt", berichtete Packard.

Obgleich flüssiges Helium-3 der reinste aller bekannten Stoffe ist, handelt es sich bei seiner supraflüssigen Phase laut Packard um eine der komplexesten und faszinierendsten Flüssigkeiten der Natur. Helium-3 ist ein leichterer Isotop des in Ballons anzutreffenden Helium-4 und wird supraflüssig, wenn es auf ein Tausendstel Grad oberhalb des absoluten Nullpunktes abgekühlt wird.

David und Packard erzeugten die Wellen, indem sie einen Kupferzylinder in einen Behälter mit Helium-3 tauchten, bis die Flüssigkeit überlief. Sie stellten fest, daß Helium-3 so lange supraflüssig blieb, wie die Schichtdicke nicht unter 90 Nanometer fiel, was ungefähr 200 Atomen entspricht.

Das Helium-3 verhielt sich wie eine Mischung aus einer gewöhnlichen und einer Supraflüssigkeit, die sich beide am gleichen Ort befinden. Der "erste Schall" trat auf, wenn beide Komponenten sich in Phase miteinander bewegten, der "zweite Schall", wenn sie außer Phase gerieten und der "vierte Schall" unter Bedingungen, bei denen die normale Komponente von einem porösen Medium fixiert wird. Die Oberflächenwelle des "dritten Schalls" erschien, wenn die normale Komponente aufgrund der Materialeigenschaften selbst unbeweglich war.

Letztere ließen sich hervorrufen, indem die Wissenschaftler einen Ring auf die Oberfläche setzten, den sie mit Stromstößen zum Schwingen brachten. Dadurch entstanden Wellen von wenigen Atomen Höhe, die mit einem Kondensator in der Mitte des Ringes nachgewiesen werden konnten. Zusätzlich zu stehenden Wellen gab es auch solche, die mit einer Frequenz von ein bis drei Hertz über die Oberfläche wanderten.

Supraflüssiges Helium-3 wird als eine Flüssigkeit von Fermionen beschrieben. Fermionen sind Teilchen mit einer ungeraden Anzahl von Protonen, Neutronen oder Elektronen. Unterhalb einer gewissen kritischen Temperatur korrelieren Paare von Fermionen ihre Bewegungen über Entfernungen hinweg, die Hunderte Male größer sind als die Distanz zwischen benachbarten Atomen. 1996 wurde der Physik-Nobelpreis für die Entdeckung dieses erstaunlichen Materials vergeben. Die Atompaare, die analog zu den Elektronenpaaren in einem Supraleiter sind, bilden eine anisotrope Quantenflüssigkeit.

Theoretiker haben bereits verschiedene faszinierende neue physikalische Erscheinungen vorhergesagt, die das zweidimensionale Helium-3 an den Tag legen soll. Einer Theorie zufolge, baut sich senkrecht zur Flußrichtung der Supraflüssigkeit ein Druckunterschied auf – ähnlich dem Hall-Effekt. Bei hinreichend dünnen Flüssigkeitsfilmen sollte das Phänomen analog zum Quanten-Hall-Effekt gequantelt sein.

Einer zweiten Theorie zufolge,löst sich der zweidimensionale supraflüssige Zustand bei steigender Temperatur auf. Ursache hierfür ist die spontane Erzeugung von unendlich vielen kleinen Strudeln, den sogenannten quantisierten Wirbel.

Mit Hilfe dieser Theorie wird gegenwärtig die Physik von Hoch- und Tieftemperatur-Supraleitern sowie von Helium-4 und verschiedenen anderen zweidimensionalen System zu erklären versucht. Packards Worten nach ist es eine wichtige Aufgabe, mittels "drittem Schall" in supraflüssigem Helium-3 zu überprüfen, wie verläßlich die auf dieser Theorie basierenden Voraussagen sind.

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