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Aggregatszustände: Ultrakalte Heliumkristalle verflüssigen sich doch nicht

Nicht fest, nicht flüssig?
Fest, flüssig, gasförmig – das sind die Aggregatszustände, die die meisten Menschen kennen. Physiker beschäftigen sich aber noch mit weiteren, zum Teil äußerst exotischen Aggregatszuständen. Dazu gehört die so genannte Suprasolidität: Wenn ein Heliumkristall diesen Aggregatszustand bei sehr tiefen Temperaturen und unter hohem Druck annimmt, dann ist er gleichzeitig kristallin und supraflüssig, also flüssig ohne innere Reibung. Zweifelsfrei demonstriert werden konnte dieser Zustand bislang jedoch noch nicht. Nun nähren US-Forscher die Bedenken gegenüber dem seltsamen Aggregatszustand weiter.

Forscher um Ethan Pratt von der Cornell University in Ithaca haben die Rotationsfrequenzen eines mit gefrorenem Helium-4 gefüllten Zylinders bei Temperaturänderung hochpräzise vermessen und entdeckt, dass der Übergang in den vermeintlichen suprasoliden Zustand sich zu langsam vollzieht, als dies für einen solchen Phasenübergang zu erwarten wäre. Ihre Beobachtungen erklären die Forscher vielmehr mit einer Art "Superglas". In diesem Zustand wäre das Helium eine so langsam fließende Flüssigkeit, dass sie wie ein Feststoff erscheint.

Damit verstärken sie die Zweifel an der Existenz der Suprasolidität weiter. Ursprünglich fanden Eun-Seong Kim und Moses Chan von der Pennsylvania State University im Jahr 2004 erste Hinweise auf die Existenzdieses Zustands, als sie das Isotop Helium-4 in einen Metallzylinder füllten und einfroren. Sie ließen es dann in einem Zylinder um seine Längsachse hin- und herrotieren wie die Unruh einer Uhr, wobei sie die Temperatur weiter senkten. Bei Unterschreiten von zwei Zehntel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt beschleunigte sich die Pendelbewegung plötzlich, so als würde sich die Masse des Heliums verringern: Ein Teil des Heliums nahm nicht mehr am Pendeln teil und verharrte still. Die Forscher erklärten dies damit, dass sich diese Heliumatome ohne Widerstand durch den Kristall bewegen können und demnach vom Zwang befreit sind, die Pendelbewegung mitzumachen.

Weitere Experimente anderer Forscher zeigten später jedoch bereits, dass der Anteil der dazu fähigen Atome davon abhängt, wie viele Korngrenzen der Heliumkristall hat, also wie "zerklüftet" er ist. Wenn ein Teil des Heliums an den Korngrenzen supraflüssig wird und entlang der Klüfte fließt, dann hat man zwei Aggregatszustände – fest und supraflüssig – nebeneinander und kann nicht davon sprechen, dass der Heliumkristall selbst völlig supraflüssig ist. (cm)

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  • Quellen
Science 10.1126/science.1203080, 2011

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