Je hoeft niet bang te zijn dat een frisdrank spontaan over de rand loopt of uit het rietje schiet waaruit je probeert te drinken. Dat komt omdat frisdranken in niets lijken op het supervloeibare helium dat in deze video wordt getoond.
Onderzoekers weten al tientallen jaren dat als je vloeibaar helium slechts een paar graden onder zijn kookpunt van -452 graden Fahrenheit (-269 graden Celsius) afkoelt, het plotseling dingen kan doen die andere vloeistoffen niet kunnen, zoals door molecule-dunne scheurtjes druppelen, op en over de zijkanten van een schaal klimmen, en onbeweeglijk blijven als de container wordt rondgedraaid.
Helium is niet langer louter vloeibaar, maar is een supervloeistof geworden – een vloeistof die zonder wrijving stroomt. “Als je een beker met een circulerende vloeistof neerzet en je komt 10 minuten later terug, dan beweegt hij natuurlijk niet meer,” zegt John Beamish, een experimenteel fysicus aan de Universiteit van Alberta in Edmonton. Atomen in de vloeistof zullen tegen elkaar botsen en langzamer gaan bewegen. “Maar als je dat met helium bij lage temperatuur zou doen en een miljoen jaar later zou terugkomen,” zegt hij, “dan zou het nog steeds bewegen.”
Net als veel andere natuurkundige experimenten die je doen denken: “Huh?”-superfluïditeit vloeit voort uit de contra-intuïtieve regels van de kwantummechanica. Maar in tegenstelling tot andere kwantumdingen is het vreemde gedrag van superfluïde helium met het blote oog zichtbaar.
Een vroeg teken van het vreemde gedrag van helium werd al in 1911 waargenomen door de Nederlandse natuurkundige en in 1913 Nobelprijswinnaar voor de natuurkunde Heike Kamerlingh Onnes, een meester op het gebied van koeling die als eerste helium vloeibaar had gemaakt. Onnes ontdekte dat helium (technisch gezien de isotoop helium 4) gemakkelijk warmte begon te geleiden beneden -455,67 graden F (-270,92 graden C), ook bekend als het lambda punt.
Pas in 1938 maten de Russische natuurkundige Pjotr Kapitsa en, onafhankelijk daarvan, het Britse duo John Allen en Don Misener de stroomsnelheid van helium beneden die temperatuur door respectievelijk een paar glazen schijven die aan een plunjer en een lange, dunne glazen buis waren bevestigd. De viscositeit was zo laag dat Kapitsa, die zijn eigen Nobelprijs voor het werk kreeg, de term “superfluïde” bedacht om het te beschrijven – naar “supergeleider”, de term voor een materiaal dat zeer hoge elektrische stromen geleidt zonder weerstand.
De sleutel tot het effect is het unieke vermogen van helium om vloeibaar te blijven tot het absolute nulpunt (-459,67 graden F, of -273,15 graden C), de temperatuur waarbij atomen theoretisch ophouden met bewegen. Wanneer de meeste vloeistoffen worden afgekoeld, begint de lichte aantrekkingskracht tussen de atomen in de vloeistof uiteindelijk de warmtetrillingen te overwinnen, en de deeltjes zetten zich in een regelmatige orde, namelijk een vaste stof. Maar heliumatomen zijn zo licht en worden zo zwak tot elkaar aangetrokken dat zelfs wanneer de gewone atoombewegingen tot rust zijn gekomen, de atomen nog wiebelen met een nulpuntbeweging, een licht momentum dat wordt veroorzaakt door het kwantumonzekerheidsprincipe. De vloeibaarheid van Helium bij lage temperaturen maakt het mogelijk een transformatie uit te voeren die Bose-Einstein condensatie wordt genoemd, waarbij individuele deeltjes elkaar overlappen totdat ze zich gedragen als één groot deeltje. Atomen die eendrachtig samenwerken gedragen zich niet als individuele atomen. “Als je in unisono marcheert, bots je niet met elkaar,” zegt Moses Chan, die superfluïditeit bestudeert aan de Pennsylvania State University in University Park.
Onderzoekers denken graag aan superfluïde helium als een mengsel van twee vloeistoffen, een normale en een superfluïde. Verschillende experimenten brengen de contrasterende karakters van de twee fracties aan het licht. Het eenvoudigste “experiment” bestaat erin toe te zien hoe een vat vol vloeibaar helium plotseling lek raakt wanneer het wordt afgekoeld tot onder het lambda-punt en de wrijvingsloze superfluïde fractie door microscopisch kleine scheurtjes begint te stromen waar de normale vloeibare fractie niet in kan komen. (“Superlekken” zijn al sinds de begindagen de plaag van wetenschappers die met vloeibaar helium werken, aldus Beamish). Maar roer hetzelfde helium als koffie en de normale vloeibare fractie zal zich tegen de beweging verzetten, waardoor het superfluïde mengsel toch viscositeit krijgt.
Naarmate de temperatuur daalt, neemt de superfluïde fractie een groter deel van het mengsel in beslag. In het gouden-standaardexperiment van het gebied, meten de onderzoekers de verhouding van de twee fracties door een steekproef in een cilindrische metaalcontainer te plaatsen die aan een draad wordt opgeschort. Wanneer zij een draai aan de draad geven, draait de cilinder de ene kant op en dan de andere kant. Maar alleen de normale fractie zal met de cilinder meedraaien, vanwege de wrijving tussen de normale fractie en de cilinderwanden; het superfluïde gedeelte snijdt dwars door de normale vloeistof heen en blijft stil liggen. Naarmate de superfluïde fractie toeneemt, gaat de cilinder sneller draaien, alsof de cilinder gewicht verliest (technisch gezien traagheid).
De dubbele aard van superfluïde helium is opnieuw aan het werk wanneer het de wanden van een vat beklimt. (Bekijk deze YouTube-video van het effect.) Elke vloeistof zal de wanden van een schaal bedekken waarin het zich bevindt – opnieuw dankzij de lichte aantrekkingskracht tussen atomen – maar de interne wrijving van de vloeistof beperkt hoe ver de coating zich kan verspreiden. Bij superfluïde helium glijdt de wrijvingsloze film over de hele schaal, waardoor een soort arena ontstaat waar de supervloeistof doorheen kan stromen. Als de vloeistof ergens moet vallen nadat hij uit de schaal is geklommen, zal hij van de bodem van de container druppelen totdat hij alle superfluïde die erboven zit, heeft weggezogen.
Hetzelfde principe ligt ten grondslag aan een andere beroemde demonstratie waarbij superfluïde snel uit een open, verwarmde glazen buis schiet die aan de onderkant met fijn poeder is gevuld. Deze demonstratie wordt de superfluïdfontein genoemd en vindt plaats omdat de superfluïd buiten de buis naar binnen stroomt om de superfluïd af te koelen die door de binnenkant van de buis is opgewarmd. (Allen, de mede-ontdekker van de superfluïditeit, zou het effect hebben ontdekt nadat hij met een zaklantaarn op een glazen buis met vloeibaar helium had geschenen.)
Het werk aan superfluïde helium heeft al drie Nobelprijzen opgeleverd en zou er nog wel eens meer kunnen opleveren. In 2004 lieten Penn State-onderzoekers Chan en Eun-Seong Kim een ring vol vast helium ronddraaien bij een druk van 26 atmosfeer en ontdekten dat wanneer zij het helium afkoelden tot onder de kritische temperatuur, de rotatiefrequentie toenam, net als bij vloeibaar helium. Een half dozijn laboratoria, waaronder dat van Beamish, bestudeert het “supersolide” effect, maar onderzoekers weten nog steeds niet zeker welke elementen van de vaste stof zouden condenseren in een enkele Bose-Einstein toestand.
De kunst is nu om te zien of de supersolide het equivalent van superlekken of andere bekende supereffecten kan voortbrengen. “Als andere unieke eigenschappen overtuigend kunnen worden aangetoond,” zegt Beamish, “zou iedereen het erover eens zijn dat het een nieuwe fase van materie is.
