Forscher beobachten Quantenstrudel in kalten Helium-Tröpfchen

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.

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