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Quantenphysik: Wie Superflüssigkeiten in Turbulenz geraten

Aus dem Alltag, zum Beispiel beim Umrühren eines Kaffees, ist das Phänomen bestens bekannt: die Turbulenz. Eine Unzahl von unterschiedlich großen Wirbeln, deren Werden und Vergehen niemand vorausberechnen kann, verteilt den Milchtropfen gleichmäßig im Kaffee. Turbulenzen treten auch in äußerst exotischen Flüssigkeiten auf, die bislang nur in Forschungslabors existieren, nämlich in so genannten Supraflüssigkeiten. Diese Flüssigkeiten, beispielsweise Helium-4, fließen bei äußerst niedrigen Temperaturen von nur wenigen Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt ohne Reibungsverluste. Klar, dass in einem derart ungewöhnlichen Medium auch Turbulenzen anders aussehen als in einem Kaffee oder einem Wasserfall. Computersimulationen davon gab es aber bislang wegen der zu Grunde liegenden hochkomplexen Mathematik nicht. Nun haben Physiker der University of Washington in Seattle mithilfe eines der größten Supercomputer der Welt – dem "JaguarPF" am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, der über fast 250 000 Prozessorkerne verfügt – die Turbulenzen in Superflüssigkeiten simuliert und dabei überraschende Phänomene beobachtet.

In einer Supraflüssigkeit bilden so genannte Quanten-Wirbel die Bausteine von Turbulenz. Diese unterscheiden sich von herkömmlichen Wirbeln dadurch, dass sie nur bestimmte – quantisierte – Drehgeschwindigkeiten haben können und zudem eine regelmäßige Anordnung in der Supraflüssigkeit einnehmen. Die Physiker um Aurel Bulgac haben nun simuliert, was passiert, wenn eine Supraflüssigkeit ordentlich umgerührt wird. Für Überraschung der Forscher sorgte nicht nur, dass die Supraflüssigkeit zunächst im Wortsinne "ungerührt" blieb: trotz Rührens verharrte sie bewegungslos. Erst bei schnellerem Rühren taten sich Dinge, die für noch mehr Überraschung sorgten. So versammelte sich fast die gesamte Masse der Flüssigkeit vor dem Rührstab, was sie mit der hohen Kompressibilität der Superflüssigkeit erklären.

Begegnung zweier Quanten-Wirbel | Simulationen des Teams um Aurel Bulgac von der University of Washington zeigen den Austausch von Segmenten (mit "a" und "b" bezeichnet) zwischen zwei Quanten-Wirbeln. Die Forscher sehen darin einen Mechanismus beim Entstehen von Quantenturbulenzen.
Erstaunt waren die Forscher auch vom merkwürdigen Verhalten der Quantenwirbel. Die Wirbel gaben ihre regelmäßige Anordnung auf, kreuzten sich und tauschten dabei, auf ähnliche Weise wie das Erbgutmolekül DNA dies tut, Segmente untereinander aus. Dieses Phänomen betrachten die Forscher als einen Mechanismus, der zur "Quantenturbulenz" führt. Anders als die herkömmliche Turbulenz verwandle sich bei dieser exotischen Art der Turbulenz die in den Wirbeln steckende Energie nicht in Wärme um, schreiben die Physiker. (cm)

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