Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Forscher beobachten Quantenstrudel in kalten Helium-Tröpfchen

22.08.2014

Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von DESY-Forschern hat winzige Quantenstrudel in kalten Tröpfchen aus flüssigem Helium beobachtet. Die exotischen Strudel ordnen sich in den Nanotröpfchen zu dichtgepackten Gittern, wie das Team im US-Fachblatt "Science" berichtet.

Es ist das erste Mal, dass die Quantenstrudel, die bereits in größeren Proben von sogenanntem supraflüssigen Helium gesichtet worden sind, in Nantröpfchen nachgewiesen wurden. "Das Experiment hat unsere höchsten Erwartungen übertroffen", betont Andrey Vilesov von der Universität von Südkalifornien, einer der drei Leiter des Experiments.


Künstlerische Darstellung des Gitters aus Quantenstrudeln in einem supraflüssigen Tropfen.

Illustration: SLAC National Accelerator Laboratory

Das Edelgas Helium wird bei minus 269 Grad Celsius flüssig. Unterhalb von minus 271 Grad tritt ein Quanteneffekt auf, durch den das flüssige Helium jede innere Reibung verliert, es wird supraflüssig. In diesem exotischen Zustand kann es sogar Wände hinaufkriechen.

Um die Dynamik von supraflüssigem Helium zu erkunden, haben die Forscher winzige Helium-Nanotröpfchen mit dem derzeit weltstärksten Röntgenlaser durchleuchtet, der Linac Coherent Light Source LCLS am US-Beschleunigerzentrum SLAC in Kalifornien.

Die Herstellung der kalten Tröpfchen mit einem Durchmesser von nur 0,2 bis 2 tausendstel Millimetern war keine leichte Aufgabe. Die Wissenschaftler sprühten dazu flüssiges Helium durch eine feine Düse in eine Vakuumkammer. Im Flug verdunstete ein Teil des Heliums, und die Verdunstungskälte kühlte den Rest des Tropfens weiter.

"Nach einer Flugstrecke von wenigen Millimetern hatten die Tropfen den supraflüssigen Zustand erreicht und wurden kurz darauf vom intensiven Blitz des Röntgenlasers getroffen", erläutert DESY-Forscher Daniel Rolles vom Center for Free-Electron Laser Science CFEL, einer Gemeinschaftseinrichtung von DESY, Universität Hamburg und Max-Planck-Gesellschaft.

Die von einer Max-Planck-Gruppe am Hamburger CFEL entwickelte Vakuum-Experimentierkammer mit dem Namen CAMP erlaubte dabei eine besonders detaillierte Aufzeichnung der Röntgen-Streubilder der Nanotröpfchen. "CAMP hat zwei große Detektoren, die noch einzelne Photonen registrieren und deren Energie sehr genau bestimmen können", betont Benjamin Erk vom CFEL. "Die Detektoren schaffen dabei Serienbilder mit 120 Aufnahmen pro Sekunde."

"Die Analyse der Aufnahmen zeigte, dass überraschend viele Tropfen nicht wie erwartet kugelförmig waren, sondern durch schnelle Rotation stark in die Länge gezogen", berichtet Rolles. "Tatsächlich besaßen manche Tropfen mehr die Form eines dicken Rades mit zwei fast parallelen Seiten." Die Rotation stammt von der Ausdehnung der Tröpfchen in der Düse, durch die sie in die Experimentierkammer gelangen. Die Tröpfchen rotierten bis 14 Millionen Mal pro Sekunde - weit schneller als ein normaler runder Tropfen es nach den Gesetzen der klassischen Physik aushalten könnte.

Durch die schnelle Rotation formten sich im Inneren der Nanotröpfchen winzige sogenannte Quantenstrudel, die an Miniaturausgaben des Strudels am Badewannenabfluss erinnern. Dieses Phänomen war bereits in größeren Einheiten von supraflüssigem Helium beobachtet worden, wurde in den Nanotröpfchen jetzt aber zum ersten Mal nachgewiesen. Wie bereits früher beobachtet, bilden die Strudel ein regelmäßiges Gitter. "In den Nanotröpfchen sind die Quantenstrudel überraschenderweise 100 000 Mal dichter gepackt als in größeren Proben supraflüssigen Heliums, die zuvor untersucht wurden", sagt Vilesov.

"Was wir in diesem Experiment beobachtet haben, ist wirklich überraschend", betont Ko-Leiter Christoph Bostedt vom SLAC. Und Oliver Gessner vom Lawrence Berkeley Laboratory, dritter Ko-Leiter des Experiments, ergänzt: "Jetzt, da wir gezeigt haben, dass wir die Quantenrotation in Helium-Nanotröpfchen nachweisen und charakterisieren können, ist es wichtig, ihren Ursprung zu verstehen und letztlich sie zu kontrollieren." 

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa. Das Center for Free-Electron Laser Science CFEL ist eine Kooperation von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.

Originalveröffentlichung
"Shapes and Vorticities of Superfluid Helium Nanodroplets "; Luis F. Gomez et al.; Science, 2014; DOI: 10.1126/science.1252395

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.desy.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Flashmob der Moleküle
19.01.2017 | Technische Universität Wien

nachricht Verkehrsstau im Nichts
19.01.2017 | Universität Konstanz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise