Supraflüssigkeit zeigt überraschendes Verhalten

  • 20. May 2015

Wirbelbildung im kleinsten Loch, durch das jemals Helium geflossen ist.

Der Bernd Rosenow von der Universität Leipzig hat in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Kanada und den USA das Verhalten von  Supraflüssigkeit unter extremen Bedingungen untersucht und dabei ein überraschendes Ergebnis erzielt. Auf der Nanoskala hatten die Forscher das Verhalten von reinem Helium bei einer Temperatur von zwei Kelvin analysiert, bei der es ohne Reibung fließt. „Bei einem Experiment in Montreal wurde ein winzig kleines Loch in eine Membran gebohrt und untersucht, wie die Flüssigkeit durch das Loch fließt“, erklärt Rosenow.

Elektronenmikroskopisches Bild des untersuchten Lochs mit einem Radius von vier Nanometern. (Bild: P.-F. Duc, McGill U.)

Abb.: Elektronenmikroskopisches Bild des untersuchten Lochs mit einem Radius von vier Nanometern. (Bild: P.-F. Duc, McGill U.) Caption

Dieses Loch hatte ihm zufolge einen Radius von nur vier Nanometern. Entgegen der bisher bekannten Theorien nahm die Geschwindigkeit der Bewegung dieser Supraflüssigkeit durch das winzige Loch umso stärker ab, je kleiner das Loch war. Rosenow, der bei einem Forschungsaufenthalt an der Harvard-Universität in den USA diese deutsch-kanadisch-amerikanische Kooperation anbahnte, lieferte mit seinem Kollegen aus Vermont zu dem Experiment die theoretische Erklärung. „Das ist das kleinste Loch, durch das jemals Helium geflossen ist“, sagt er.

In einer Supraflüssigkeit bilden sich bei schneller Bewegung winzige Wirbel von ähnlicher Form wie Rauchringe, die die Flüssigkeit abbremsen. „Die Geschwindigkeit im Inneren des Wirbels ist entgegengerichtet der eigentlichen Geschwindigkeit der Flüssigkeit, die dadurch abgebremst wird“, erläutert er. Das Loch war nach den Worten des Physikers erstmals kleiner als diese Wirbelringe. Die Erkenntnis der Physiker lautete: Es konnte ein neuer Typ Wirbel gebildet werden, der die eine Seite des Lochs mit der anderen verbindet. Dadurch wird die Flüssigkeit stärker gebremst, als bisher beobachtet.

„Wenn Quantenteilchen auf so engen Raum gesperrt werden, verhalten sie sich alle gleich“, berichtet Rosenow. In einem weiteren Schritt wollen die Wissenschaftler nun das Verhalten dieser Flüssigkeit auf noch engerem Raum analysieren. „Wenn die Poren noch winziger werden, verwandelt sich die Flüssigkeit in Gas“, vermutet Grundlagenforscher Rosenow. Die neuen Erkenntnisse könnten später beispielsweise einmal dazu genutzt werden, um die Qualität der empfindlichen Rotationssensoren von GPS-Systemen zu verbessern.

UL / OD

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