Schwingungen am absoluten Nullpunkt

Instrument TRISP am FRM II Für ihre hochpräzisen Messungen an supraflüssigem Helium nutzten die Forscher das Instrument TRISP der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II), das eine weltweit einzigartige Energieauflösung besitzt.

Für ihre hochpräzisen Messungen an supraflüssigem Helium nutzten die Forscher das Instrument TRISP der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II), das eine weltweit einzigartige Energieauflösung besitzt.

Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt verändert die Materie ihre Eigenschaften. Metalle wie Blei oder Quecksilber, die bei Raumtemperatur vergleichsweise schlechte elektrische Leiter sind, werden zu Supraleitern, die elektrischen Strom ohne Widerstand leiten. Ähnlich wird Helium – bei Raumtemperatur ein Gas – bei einer Temperatur von 4 Kelvin zunächst flüssig und erreicht unter 2,2 Kelvin einen neuen Aggregatzustand: es wird supraflüssig. Das Helium verliert dabei jede innere Reibung, was zu ungewöhnlichen Phänomenen führt: Dreht man etwa einen Behälter mit einer Supraflüssigkeit langsam, dann dreht sich die Flüssigkeit nicht mit, sondern bleibt in dem Behälter stehen.

Die Pionierarbeiten zur theoretischen Beschreibung von Supraflüssigkeiten stammen von dem russischen Physiker Lev Landau, der sich in den vierziger Jahren des letzten Jahrhunderts nach der Entdeckung dieses neuen Aggregatszustandes intensiv mit dessen theoretischer Beschreibung beschäftigte. Er formulierte eine Theorie auf Grundlage der Quantenmechanik, für die er 1962 den Nobelpreis für Physik erhielt. Lev Landau erklärte die Eigenschaften des Heliums bei extrem niedrigen Temperaturen dabei durch schwach miteinander wechselwirkende Gitterschwingungen.

Wissenschaftler der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) und des Max-Planck-Instituts für Festkörperphysik haben nun gemeinsam mit Kollegen aus Frankreich und USA festgestellt, dass die Gitterschwingungen des superflüssigen Heliums eine andere Temperaturabhängigkeit besitzen als von Lev Landau beschrieben. Die Physiker nutzten für ihre hochpräzisen Experimente das Instrument TRISP an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz, das eine weltweit einzigartige hohe Energieauflösung besitzt. Theoretische Neuberechnungen bestätigten die experimentellen Ergebnisse.

„Unsere Erkenntnisse sind für Wissenschaftler, die sich mit der Physik nahe dem absoluten Nullpunkt beschäftigen, sehr interessant“, sagt Thomas Keller, Wissenschaftler an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz. Denn an superflüssigem Helium können Forscher auch das Verhalten eines so genannten Bose-Einstein-Kondensats beobachten, einem in der theoretischen Physik sehr wichtigen Modell für ein System von Teilchen, die sich bei sehr tiefen Temperaturen überwiegend im selben quantenmechanischen Zustand befinden.