Visualisierung supraflüssiger Teilchen. (Universität Lancaster) Im kalten, dichten Medium einer Helium-3-Superflüssigkeit machten Wissenschaftler kürzlich eine Entdeckung eine unerwartete Entdeckung . Ein Fremdkörper, der sich durch das Medium bewegt, könnte eine kritische Geschwindigkeitsgrenze überschreiten, ohne das fragile Superfluid selbst zu zerstören.
Da dies unserem Verständnis von Superfluidität widerspricht, stellte es ein ziemliches Rätsel dar – doch nun haben Physiker durch die Nachbildung und Untersuchung des Phänomens herausgefunden, wie es geschieht. Partikel in der Superflüssigkeit haften am Objekt und schützen es vor der Wechselwirkung mit der gesamten Superflüssigkeit und verhindern so den Zusammenbruch der Superflüssigkeit.
„Superflüssiges Helium-3 fühlt sich für einen Stab, der sich durch es bewegt, wie ein Vakuum an, obwohl es eine relativ dichte Flüssigkeit ist.“ Es gibt keinen Widerstand, überhaupt keinen“, sagte der Physiker Samuli Autti von der Lancaster University im Vereinigten Königreich . „Ich finde das sehr faszinierend.“
Superflüssigkeiten sind Flüssigkeiten, die keine Viskosität und keine Reibung haben und daher fließen, ohne kinetische Energie zu verlieren. Sie lassen sich relativ einfach daraus herstellen Bosonen des Helium-4 Isotope, die, wenn sie auf knapp über den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, so langsam werden, dass sie sich überlappen und einen hochdichten Atomcluster bilden, der als ein „Superatom“ fungiert.
Diese „Superatome“ bilden jedoch nur eine Art von Superflüssigkeit. Ein anderes basiert auf dem Boson 's Geschwister, das Fermion . Fermionen sind Teilchen, die aus atomaren Bausteinen wie Elektronen und Quarks bestehen.
Beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur verbinden sich Fermionen zu sogenannten Cooper-Paaren, die jeweils aus zwei Fermionen bestehen, die zusammen ein zusammengesetztes Boson bilden. Diese Cooper-Paare verhalten sich genau wie Bosonen und können daher ein Suprafluid bilden.
Das Team stellte sein fermionisches Superfluid aus Helium-3 her, einem seltenen Heliumisotop, dem ein Neutron fehlt. Bei Abkühlung auf ein Zehntausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (0,0001 Kelvin oder -273,15 Grad Celsius/-459,67 Grad Fahrenheit) bildet Helium-3 Cooper-Paare.
Diese Superflüssigkeiten sind ziemlich zerbrechlich und die Cooper-Paare können auseinanderbrechen, wenn sich ein Objekt oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit, der sogenannten kritischen Landau-Geschwindigkeit, durch sie bewegt.
Und doch, in einer Arbeit aus dem Jahr 2016 Forscher der Lancaster University fanden heraus, dass ein Drahtstab, der sich durch eine Helium-3-Superflüssigkeit bewegt, diese Geschwindigkeit überschreiten könnte, ohne die Paare zu zerstören.
In ihren Folgeexperimenten maßen sie die Kraft, die erforderlich ist, um den Walzdraht durch das Suprafluid zu bewegen. Sie haben eine extrem kleine Kraft gemessen, als sich der Draht zu bewegen begann, aber sobald er sich bewegte, war die Kraft, die zum Weiterbewegen erforderlich war, gleich Null – einfach anstoßen und los ging es.
Das Team kam zu dem Schluss, dass die Anfangskraft von den Cooper-Paaren herrührt, die sich ein wenig bewegen, um der Bewegung Rechnung zu tragen, und so diese kleine Anfangskraft auf den Walzdraht ausüben. Aber danach kann sich der Draht frei bewegen, im Wesentlichen getarnt in einem Mantel aus Cooper-Paaren.
„Indem wir den Stab dazu brachten, seine Bewegungsrichtung zu ändern, konnten wir schlussfolgern, dass der Stab durch die ihn bedeckenden gebundenen Teilchen vor dem Suprafluid verborgen bleibt, selbst wenn seine Geschwindigkeit sehr hoch ist.“ sagte der Physiker Ash Jennings von der Lancaster University .
Diese neue Erkenntnis könnte einige interessante Implikationen haben.
Fermionische Supraflüssigkeiten können zur Herstellung von Supraleitern verwendet werden, die wiederum Supraleiter sind untersucht als entscheidender Bestandteil von Quantencomputer . Wenn wir mehr darüber wissen, wie und warum sich Supraflüssigkeiten so verhalten, wie sie es tun, werden wir diesem Ziel wahrscheinlich nur näher kommen.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation .