Rätselhafter Zwitterzustand

Warum kann gefrorenes Helium fest und suprafluid zugleich sein?

Von Rainer Scharf

Kühlt man das Edelgasisotop Helium-4 auf etwa zwei Kelvin, wird es supraflüssig. In diesem Zustand verliert es jegliche Viskosität und kann völlig reibungsfrei fließen und die Innenwand eines Becherglases hochwandern. Helium-4 gefriert erst, wenn man es einem Druck von mindestens 25 bar aussetzt. Vor drei Jahren hatten Eun-Seong Kim und Moses Chan von der Pennsylvania State University berichtet, gefrorenes kristallines Helium-4 könne sich auch wie eine Supraflüssigkeit verhalten. Dieser Zustand, der Ähnlichkeit hat mit einem Kristall und mit einer Supraflüssigkeit, hat den Physikern einige Rätsel aufgegeben. Zwei Forscher von der Cornell University in Ithaca (New York) sind den Ursachen für das "suprafeste" Verhalten von Helium-4 jetzt nachgegangen.

Bei ihren Experimenten hatten Kim und Chan eine kleine Kammer eines Torsionspendels mit zunächst flüssigem Helium-4 gefüllt. Während die Forscher das Edelgas abkühlten und komprimierten, bis es sich verfestigte, verfolgten sie das Schwingungsverhalten des Pendels. Unterhalb einer Temperatur von weniger als 0,2 Kelvin wurden die Oszillationen plötzlich schneller. Das Trägheitsmoment des Pendels hatte sich offenkundig verringert. Kim und Chan erklärten das seltsame Verhalten damit, dass ein kleiner Teil der Atome des gefrorenen Heliums nicht mehr an den Schwingungen teilnahm, sondern als Supraflüssigkeit durch den rotierenden Kristall hindurchströmte. Das Helium war in den suprafesten Zustand übergegangen.

Theoretischen Untersuchungen zufolge dürfte ein perfekter Kristall keine suprafluiden Eigenschaften zeigen. Da alle Atome an ihrem Gitterplatz fixiert sind, können sie auch keinen kollektiven supraflüssigen Zustand bilden und reibungsfrei durch das Gitter wandern. Dazu müsste das gefrorene Helium-4 schon einige Fehlstellen - also Gitterplätze ohne Atome - aufweisen. Wenn ein Teil der Kristallatome gemeinsam quantenmechanisch von Fehlstelle zu Fehlstelle tunnelt, so bewegen sich diese Atome als Supraflüssigkeit durch den Kristall. Doch ist gefrorenes Helium normalerweise ein Konglomerat aus ungezählten winzigen Kristalliten und kein Einkristall mit Fehlstellen. Es kam deshalb der Verdacht auf, die beiden Forscher hätten polykristallines Helium-4 verwendet. Die Supraflüssigkeit wäre dann von den ungeordneten Atomen an den Korngrenzen der Kristallite gebildet worden, die zwischen den winzigen Kristallen hin- und herströmten. Die beobachtete suprafeste Phase wäre danach nichts anderes gewesen als ein Nebeneinander von suprafluidem und kristallinem Helium. Um diese Annahme zu überprüfen, haben jetzt Ann Sophie Rittner und John Reppy die Versuche von Kim und Chan sowohl mit möglichst perfekten als auch mit recht ungeordneten Heliumkristallen wiederholt.

Die beiden Forscher erzeugten die fast perfekten Kristalle, indem sie festes Helium in der Nähe der Schmelztemperatur bis zu vierzehn Stunden lang abkühlten. Während dieses als Tempern bezeichneten Vorgangs konnten größere Kristalle heranwachsen, so dass wenige Korngrenzen und ungeordnete Atome vorlagen. Bei den anschließenden Messungen mit dem Torsionspendel zeigte die Probe nur schwache Anzeichen suprasoliden Verhaltens. Der Anteil der Heliumatome, der an den Schwingungen teilnahm, betrug mehr als 99 Prozent. Nur ein geringer Teil strömte als Supraflüssigkeit durch das gefrorene Helium ("Physical Review Letters" Bd. 98, Nr. 175302).

Als die beiden Forscher das Helium dagegen innerhalb von nur 90 Sekunden abkühlten, entstand eine extrem ungeordnete polykristalline Probe mit ungezählten Korngrenzen. Ein entsprechender Pendelversuch zeigte, dass jetzt nur noch 80 Prozent der Atome an der Torsionsschwingung des gefrorenen Heliums teilnahmen. Der Rest war superfluid geworden. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Unordnung der Atome im gefrorenen Helium die entscheidende Rolle für das Auftreten des suprafesten Verhaltens spielt. Nach Meinung der Forscher ist es jedoch nur schwer vorstellbar, dass zwanzig Prozent der Helium- atome einer polykristallinen Probe an den Korngrenzen sitzen und suprafluid werden. Sie vermuten deshalb, dass in diesem Fall das gefrorene Helium einen amorphen glasartigen Zustand annimmt, in dem es bei tiefer Temperatur suprafest wird. Mit einem solchen Zustand in Helium könnten sich auch die Theoretiker anfreunden. Ob es aber tatsächlich so etwas wie suprafestes "Helium-Glas" gibt, sollen weitere Experimente zeigen.
 

Text: F.A.Z., 09.05.2007, Nr. 107 / Seite N2