Sie müssen sich keine Sorgen machen, dass ein Softdrink spontan überläuft oder aus dem Strohhalm schießt, aus dem Sie zu trinken versuchen. Das liegt daran, dass Softdrinks nicht mit dem supraflüssigen Helium vergleichbar sind, das in diesem Video gezeigt wird.
Forscher wissen schon seit Jahrzehnten, dass flüssiges Helium, wenn man es nur ein paar Grad unter seinen Siedepunkt von -452 Grad Fahrenheit (-269 Grad Celsius) abkühlt, plötzlich Dinge tun kann, die andere Flüssigkeiten nicht können, z. B. durch moleküldünne Risse tröpfeln, an den Seiten einer Schüssel hochklettern und unbeweglich bleiben, wenn der Behälter gedreht wird.
Helium ist nicht mehr nur eine Flüssigkeit, sondern ein Superfluid – eine Flüssigkeit, die ohne Reibung fließt. „Wenn man eine Tasse mit einer zirkulierenden Flüssigkeit hinstellt und 10 Minuten später zurückkommt, hat sie natürlich aufgehört, sich zu bewegen“, sagt John Beamish, ein Experimentalphysiker an der University of Alberta in Edmonton. Die Atome in der Flüssigkeit stoßen miteinander zusammen und verlangsamen sich. „Aber wenn man das mit Helium bei niedriger Temperatur machen würde und eine Million Jahre später zurückkäme“, sagt er, „würde es sich immer noch bewegen.“
Wie viele andere physikalische Experimente, die einen zum Staunen bringen, beruht auch die Superfluidität auf den widersinnigen Regeln der Quantenmechanik. Aber im Gegensatz zu anderen Quantenphänomenen ist das seltsame Verhalten von supraflüssigem Helium mit bloßem Auge sichtbar.
Ein frühes Anzeichen für das seltsame Verhalten von Helium wurde 1911 von der niederländischen Physikerin und Physik-Nobelpreisträgerin von 1913 Heike Kamerlingh Onnes beobachtet, einer Meisterin der Kältetechnik, die als erste Helium verflüssigte. Onnes fand heraus, dass Helium (technisch gesehen das Helium-4-Isotop) unterhalb von -455,67 Grad F (-270,92 Grad C), auch bekannt als Lambda-Punkt, leicht Wärme zu leiten begann.
Erst 1938 maßen der russische Physiker Pyotr Kapitsa und, unabhängig davon, das britische Duo John Allen und Don Misener die Durchflussrate von Helium unterhalb dieser Temperatur durch ein Paar Glasscheiben, die an einem Kolben bzw. einem langen, dünnen Glasrohr befestigt waren. Die Viskosität war so niedrig, dass Kapitsa, der für diese Arbeit seinen eigenen Nobelpreis erhielt, den Begriff „supraflüssig“ prägte – nach „Supraleiter“, dem Begriff für ein Material, das sehr hohe elektrische Ströme ohne Widerstand leitet.
Der Schlüssel zu diesem Effekt ist die einzigartige Fähigkeit von Helium, bis zum absoluten Nullpunkt (-459,67 Grad F oder -273,15 Grad C) flüssig zu bleiben, der Temperatur, bei der sich Atome theoretisch nicht mehr bewegen. Wenn die meisten Flüssigkeiten abgekühlt werden, beginnt die leichte Anziehungskraft zwischen den Atomen in der Flüssigkeit schließlich die Wärmeschwingungen zu überwinden, und die Teilchen ordnen sich in einer regelmäßigen Reihenfolge, nämlich als Festkörper. Heliumatome sind jedoch so leicht und werden so schwach voneinander angezogen, dass die Atome selbst dann, wenn die normalen Atombewegungen zur Ruhe gekommen sind, mit einer Nullpunktsbewegung wackeln, einem leichten Impuls, der durch die Quantenunbestimmtheitsregel vermittelt wird. Da Helium bei niedrigen Temperaturen flüssig ist, kann es eine Umwandlung vollziehen, die als Bose-Einstein-Kondensation bezeichnet wird und bei der sich die einzelnen Teilchen überlappen, bis sie sich wie ein einziges großes Teilchen verhalten. Atome, die im Einklang agieren, verhalten sich nicht wie einzelne Atome. „Wenn sie gemeinsam marschieren, stoßen sie nicht miteinander zusammen“, sagt Moses Chan, der sich an der Pennsylvania State University in University Park mit Suprafluidität beschäftigt.
Forscher stellen sich suprafluides Helium gerne als eine Mischung aus zwei Flüssigkeiten vor, einer normalen und einer suprafluiden. Verschiedene Experimente bringen die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Fraktionen zum Vorschein. Das einfachste „Experiment“ besteht darin, zu beobachten, wie ein mit flüssigem Helium gefüllter Behälter plötzlich ein Leck bekommt, wenn er unter den Lambda-Punkt abgekühlt wird und die reibungsfreie superfluide Fraktion beginnt, durch mikroskopisch kleine Risse zu fließen, in die die normale flüssige Fraktion nicht eindringen kann. („Superlecks“ sind der Fluch der Wissenschaftler, die seit den Anfängen mit flüssigem Helium arbeiten, sagt Beamish.) Aber wenn man das gleiche Helium wie Kaffee umrührt, wird sich die normale flüssige Fraktion der Bewegung widersetzen und dem supraflüssigen Gemisch schließlich Viskosität verleihen.
Wenn die Temperatur sinkt, nimmt die supraflüssige Fraktion einen größeren Anteil des Gemischs ein. Bei dem Standardexperiment auf diesem Gebiet messen die Forscher das Verhältnis der beiden Anteile, indem sie eine Probe in einen zylindrischen Metallbehälter geben, der an einem Draht aufgehängt ist. Wenn sie den Draht verdrehen, dreht sich der Zylinder erst in die eine und dann in die andere Richtung. Aufgrund der Reibung zwischen ihm und den Zylinderwänden dreht sich jedoch nur der normale Anteil mit dem Zylinder; der supraflüssige Anteil durchschneidet die normale Flüssigkeit und bleibt still. Wenn der superfluide Anteil zunimmt, dreht sich der Zylinder schneller, als würde er an Gewicht verlieren (technisch gesehen Trägheit).
Die doppelte Natur des superfluiden Heliums kommt wieder zum Tragen, wenn es an den Wänden eines Behälters hochklettert. (Sehen Sie sich dieses YouTube-Video des Effekts an.) Jede Flüssigkeit beschichtet die Seiten einer Schale, in der sie sich befindet – wiederum dank der leichten Anziehungskraft zwischen den Atomen -, aber die innere Reibung der Flüssigkeit begrenzt, wie weit sich die Beschichtung ausbreiten kann. Bei supraflüssigem Helium gleitet der reibungsfreie Film über den gesamten Behälter und schafft so eine Art Arena, durch die die supraflüssige Flüssigkeit fließen kann. Wenn die Flüssigkeit, nachdem sie aus der Schale aufgestiegen ist, irgendwo hinfallen muss, tropft sie vom Boden des Behälters, bis sie die gesamte darüber befindliche Supraflüssigkeit mitnimmt.
Das gleiche Prinzip liegt einer anderen berühmten Demonstration zugrunde, bei der Supraflüssigkeit schnell aus einem offenen, erhitzten Glasrohr schießt, das am Boden mit feinem Pulver gefüllt ist. Dies wird als Supraflüssigkeitsfontäne bezeichnet, weil die Supraflüssigkeit außerhalb der Röhre nach innen strömt, um die Supraflüssigkeit abzukühlen, die durch das Innere der Röhre erwärmt wurde. (Allen, der Mitentdecker der Suprafluidität, soll den Effekt entdeckt haben, nachdem er mit einer Taschenlampe auf eine Glasröhre mit flüssigem Helium geleuchtet hatte.)
Die Arbeit an suprafluidem Helium hat bereits drei Nobelpreise eingebracht und könnte noch mehr einbringen. Im Jahr 2004 ließen Chan und Eun-Seong Kim von der Penn State University einen Ring mit festem Helium bei einem Druck von 26 Atmosphären rotieren und stellten fest, dass die Rotationsfrequenz zunahm, als sie das Helium unter die kritische Temperatur abkühlten, genau wie bei flüssigem Helium. Ein halbes Dutzend Labors, darunter das von Beamish, untersuchen den „Supersolid“-Effekt, aber die Forscher sind sich immer noch nicht sicher, welche Elemente des Festkörpers zu einem einzigen Bose-Einstein-Zustand kondensieren würden.
Der Trick besteht nun darin, herauszufinden, ob der Supersolid das Äquivalent von Superlecks oder anderen bekannten Supereffekten erzeugen kann. „Wenn andere einzigartige Eigenschaften überzeugend gezeigt werden können“, sagt Beamish, „würde jeder zustimmen, dass es sich um eine neue Phase der Materie handelt.“
