Von: Dennis L.
Quantenrotation

Helium rotiert schneller als erlaubt

Forscher beobachten in einem Tropfen aus suprakaltem Helium winzige Quantenstrudel. Damit weißen sie nach, dass sich Nanotropfen wie Quantenobjekte verhalten und können zugleich erklären, warum das Helium schnell rotiert, als es die klassische Physik erlaubt.

Abbildung des regelmäßigen Musters von Quantenstrudeln in einem Nanotropfen von supraflüssigem Helium und ein scheibenförmiger Tropfen im Hintergrund.
© SLAC

Kalifornien (U.S.A.). Helium ist ein besonderes Edelgas, dass bei extremer Kälte merkwürdige Eigenschaften annimmt. Knapp über dem absoluten Nullpunkt, bei exakt minus 271 Grad Celsius wird Helium supraflüssig. Dies bedeutet, dass die Viskosität von Helium vollständig verschwindet. Dadurch kann Helium beispielsweise Wände hinauf fließen oder findet einen Weg durch allerkleinste Öffnungen. Der Grund für die merkwürdigen Eigenschaften ist ein Quanteneffekt. Wenn das Helium auf minus 271 Grad Celsius gekühlt ist, verlangsamen sich die Schwingungen der Atome. Dadurch verhalten sich alle Atome so, als ob sie ein einziges großes Teilchen wären.

Weltstärkster Röntgenlaser beschießt Helium-Nanotropfen

Sobald das supraflüssige Helium in Rotation versetzt wird, zeigt sich ein weiterer Quanteneffekt: Es bilden sich gleichmäßige Muster von winzigen Strudeln in der Flüssigkeit. Das Forscherteam um Oliver Gessner vom Lawrence Berkeley National Laboratory wollte wissen, ob sich dieser Effekt auch auf mikroskopisch kleine Tropfen von nur wenigen Nanometern übertragen lässt. Wenn dies der Fall ist, so ließe sich die Bewegung der Nanotropfen als die eines einzelnen Quantenobjekts beschreiben und nicht als Summer der in den Tropfen enthaltenen Teilchen.

Für ihren Versuch sprühten die Physiker flüssiges Helium durch eine ganz feine Düse in eine Vakuumkammer. Im Flug verdunstete ein Teil des Heliums. Die damit verbundene Verdunstungskälte kühlte das restliche Helium weiter ab. Nach nur wenigen Millimetern Flugstrecke erreichte das Helium den supraflüssigen Zustand. Um das supraflüssige Helium zu analysieren, beschossen die Forscher die Nanotropfen mit dem derzeit weltstärksten Röntgenlaser Linac Coherent Loght Source (LCLS) am amerikanischen Beschleuniger SLAC in Kalifornien.

Rotationsgeschwindigkeit zu hoch für die klassische Physik

Das aufgezeichnete Röntgenbeugungsmuster brachte die erste Überraschung: Die Heliumtropfen waren nicht kugelförmig oder in die Länge gezogene Ovale, wie es bei rotierenden Tropfen zu erwarten wäre. Die Nanotropfen bildeten abgeflachte Formen, die Scheiben oder breite Räder ähneln. Zudem rotierten die Nanotropfen mit bis zu 14 Millionen Umdrehungen pro Sekunde. Dies ist wesentlich schneller als ein normaler Tropfen es nach den Gesetzen der klassischen Physik aushalten könnte.

Damit war klar, dass Quanteneffekte Einfluss auf die Nanotropfen ausüben mussten. Um selbst die Quantenstrudel in den Nanotropfen nachweisen zu können, mussten die Physiker sich einem Trick bedienen. Da die Quantenstrudel nahezu unsichtbar sind, gaben die Forscher das Edelgas Xenon hinzu. Die Xenon-Atome sammelten sich in den Strudeln und machten diese so durch ihre starke Röntgenbeugung sichtbar. „Man kann dies mit einem gezogenen Stöpsel in der Badewanne vergleichen, in dessen Strudel sich Kinderspielzeug sammelt“, so Gessner.

Ein neuer Bereich der Quantenrotation

Das Experiment hat gezeigt, dass die Quantenstrudel in Nanotropfen ein genauso regelmäßiges Gittermuster wie in größeren Mengen supraflüssigen Heliums bilden – allerdings bis zu 100.000 mal dichter. Damit konnten die Physiker die Annahme bestätigen, dass die Tropfen tatsächlich Quantenobjekte sind. „Wir erkunden einen neuen Bereich der Quantenrotation mit diesem Material. Jetzt, da wir gezeigt haben, dass wir die Quantenrotation in Helium-Nanotropfen nachweisen und charakterisieren können, ist es wichtig, ihren Ursprung zu verstehen und letztlich sie zu kontrollieren. ", so Gessner.

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