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Supraflüssigkeit Das kleinste Loch, durch das jemals Helium geflossen ist

| Autor / Redakteur: Susann Huster* / Dr. Ilka Ottleben

Der Physiker Prof. Dr. Bernd Rosenow von der Universität Leipzig hat in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Kanada und den USA das Verhalten von sogenannter Supraflüssigkeit unter extremen Bedingungen untersucht und dabei ein überraschendes Ergebnis erzielt. Die neuen Erkenntnisse könnten beispielsweise dazu genutzt werden, um die Qualität der empfindlichen Rotationssensoren von GPS-Systemen zu verbessern.

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Elektronenmikroskopisches Bild des untersuchten Lochs mit einem Radius von vier Nanometern.
Elektronenmikroskopisches Bild des untersuchten Lochs mit einem Radius von vier Nanometern.
(Foto: Pierre-Francois Duc/McGill University Montreal)

Leipzig – Analysiert wurde das Verhalten dieser Flüssigkeit, die aus reinem Helium besteht, eine Temperatur von nur zwei Kelvin hat und ohne Reibung fließt, auf der Nanoskala. „Bei einem Experiment in Montreal wurde ein winzig kleines Loch in eine Membran gebohrt und untersucht, wie die Flüssigkeit durch das Loch fließt“, erklärt Rosenow. Dieses Loch hatte ihm zufolge einen Radius von vier Nanometern und war damit um ein Vielfaches dünner als ein Haar.

Entgegen der bisher bekannten Theorien fanden die Wissenschaftler heraus, dass die Geschwindigkeit der Bewegung dieser Supraflüssigkeit durch das winzige Loch umso stärker abnahm, je kleiner das Loch war. Rosenow, der bei einem Forschungsaufenthalt an der Harvard-Universität in den USA diese deutsch-kanadisch-amerikanische Kooperation anbahnte, lieferte mit seinem Kollegen aus Vermont (USA) zu dem Experiment die theoretische Erklärung. „Das ist das kleinste Loch, durch das jemals Helium geflossen ist“, sagt er.

Von Supraflüssigkeiten und Wirbelringen

In einer Supraflüssigkeit bilden sich bei schneller Bewegung winzige Wirbel von ähnlicher Form wie Rauchringe, die die Flüssigkeit abbremsen. „Die Geschwindigkeit im Inneren des Wirbels ist entgegen gerichtet der eigentlichen Geschwindigkeit der Flüssigkeit, die dadurch abgebremst wird“, erläutert er. Das Loch war nach den Worten des Physikers erstmals kleiner als diese Wirbelringe. Die Erkenntnis der Physiker lautete: Es konnte ein neuer Typ Wirbel gebildet werden, der die eine Seite des Lochs mit der anderen verbindet. Dadurch wird die Flüssigkeit stärker gebremst als bisher beobachtet.

„Wenn Quantenteilchen auf so engen Raum gesperrt werden, verhalten sie sich alle gleich“, berichtet Rosenow. In einem weiteren Schritt wollen die Wissenschaftler nun das Verhalten dieser Flüssigkeit auf noch engerem Raum analysieren. „Wenn die Poren noch winziger werden, verwandelt sich die Flüssigkeit in Gas“, vermutet Grundlagenforscher Rosenow. Die neuen Erkenntnisse könnten später beispielsweise einmal dazu genutzt werden, um die Qualität der empfindlichen Rotationssensoren von GPS-Systemen zu verbessern.

Originalpublikation: Pierre-François Duc, Michel Savard, Matei Petrescu, Bernd Rosenow, Adrian Del Maestro, Guillaume Gervais: Critical flow and dissipation in a quasi-one-dimensional superfluid, Sci. Adv. 2015;1:e1400222 15 May 2015, DOI: 10.1126/sciadv.1400222

* S. Huster: Universität Leipzig, 04109 Leipzig

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