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Göttinger Forscher beweisen Supersolidität

Neuer Zustand Göttinger Forscher beweisen Supersolidität

Göttingen Forscher haben den ersten Nachweis dafür erbracht, dass eine hohe Konzentration an Leerstellen einen superflüssigen Zustand im festen Helium erzeugen kann. Alle bisherigen experimentellen Versuche die „Supersolidität“, also die Existenz dieses neuen Zustands nachzuweisen, waren bislang gescheitert.

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Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation.

Quelle: EF

Göttingen. Das Göttinger Ergebnis wird im Zusammenhang mit einer möglichen Bose-Einstein-Kondensation gesehen. Die Versuche basieren auf der Vorhersage des Phänomens von Galli und Reatto im Jahr 2001. Schon in den Jahren 1969 und 1970 sagten die russischen Physiker Alexander Andreev und Ilya Lifschitz und unabhängig von ihnen Geoffrey Chester und Tony Leggett in den USA voraus, dass festes Helium beim absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) aufgrund der Bose-Einstein-Kondensation Superfluidität zeigen könne.

Ohne Reibung

Ein Bose-Einstein-Kondensat ist ein besonderer Quantenzustand einer Materie, der bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt auftritt. Dieser Materiezustand zeigt makroskopische Quantenphänomene einschließlich der Superfluidität – eine Strömung ohne Reibung oder Viskosität.

In einer weiteren Annahme sagten Davide Galli und Luciano Reatto im Jahr 2001 voraus, dass festes Helium mit einer Leerstellen-Konzentration von mehreren Prozenten, also ein Zehnfaches der Konzentration im Gleichgewicht, ein superfluidähnliches Verhalten bei viel höheren Temperaturen von etwa einem Kelvin zeigen kann.

Eine solche große Leerstellen-Konzentration konnte im Jahr 2003 erreicht werden. Damals entdeckte die Forschergruppe in Göttingen in einem Strömungssystem, in der das feste Helium durch eine winzige Öffnung in einen Vakuumbehälter austreten kann, unerwartet starke, aber sehr regelmäßige periodische Druckstöße. Diese Stöße konnten auf das rückwärts gerichtete Wandern von Leerstellen aus dem Öffnungsbereich in die Zuleitung zurückgeführt werden.

In den Göttinger Experimenten, die in der Ausgabe des Journals Physical Review B‘ veröffentlicht wurden, setzten die Forscher am MPI einen Mikrokanal zwischen der Zuleitung und der Öffnung zum Vakuum. In der Vorrichtung werden der Druckabfall entlang des Kanals und der Fluss durch den Kanal gemessen.

Geschwindigkeit unabhängig vom Druckabfall

Dadurch war es möglich, den Einfluss der Leerstellen auf die gepulste Strömung des Festkörpers zu untersuchen. Bei Drücken oberhalb von etwa 30 bar und bei Temperaturen zwischen 1,64 und 2,66 K beobachten die Forscher, dass das feste Helium mit nahezu konstanter und ungewöhnlich hoher Strömungsgeschwindigkeit von 20 Zentimetern pro Sekunde fließt. Überraschenderweise ist die Geschwindigkeit unabhängig vom Druckabfall entlang der Kapillare.

Eine solch hohe, konstante Strömungsgeschwindigkeit ist beispiellos in gewöhnlichen Festkörpern, die normalerweise bei hohen Konzentrationen von Defekten höchstens mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung von zehn bis drei Zentimeter pro Sekunde fließen. „Unsere Experimente haben gezeigt, dass festes Helium ungewöhnliche Fließeigenschaften aufweist, die kein anderer Festkörper bisher zeigte“, sagt Prof. em. Jan-Peter Toennies. eb

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