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Physik Grundlagenforschung Helium |
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Physik Grundlagenforschung |
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Physik Elementarteilchen Forschungsarbeiten |
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Ionisierte
Atome lassen superfluides Helium gefrieren |
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Forscher
am Departement für Physik der Universität Freiburg haben gezeigt,
dass positiv geladene Atome (Kationen) eine Kristallisation von superfluidem
Helium herbeiführen können. Vor zwei Jahren hatte die Gruppe
von Prof. Antoine Weis eine neue Form von festem Helium entdeckt, und die
neuen Resultate bestätigen ihre damalige Hypothese, dass in der Tat
nanoskopische «Schneebälle» ein Hauptbestandteil dieser
neuen Form von Helium bilden. Diese Ergebnisse wurden kürzlich in
der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters publiziert.
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| Helium
ist eines der merkwürdigsten chemischen Elemente. Es verflüssigt
sich erst bei einer Temperatur von -269 °C (= 4 K). Bei -271 °C
(= 2 K) wird es superfluid, und verfestigt sich nicht, selbst wenn man
seine Temperatur bis zum absoluten Nullpunkt (-273 °C = 0 K) absenkt. |
| Quanteneffekte, und insbesondere die Heisenberg'sche Unschärferelation,
sind dafür verantwortlich, dass man eine Verfestigung des superfluiden
Heliums nur erreichen kann, wenn man es mit einem Druck von mindestens
25 Atmosphären komprimiert. |
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Vor
zwei Jahren hatten Prof. Weis und seine Gruppe entdeckt, dass Helium bei
1.5 K, welches mit nanoskopischen (durch Laser-Verdampfen eines Metalls
erzeugten) Teilchen dotiert ist, unter gewissen Bedingungen eine feste
Struktur bildet, und dies bei einem Druck, bei dem Helium gewöhnlich
flüssig ist (P. Moroshkin, A. Hofer, S. Ulzega, A. Weis, Nature Physics,
3, 786 - 789, 2007, siehe auch universitas, Juni 2008). Damals hatten die
Forscher spekuliert, dass geladene Teilchen den «Klebstoff»
bilden könnten, der das Helium zu einer festen Struktur bindet, welche
«Eisberg» genannt wurde (Foto a).
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| Fotos:
Ein elektrisches Feld von 20'000 V/cm lässt aus einem Eisberg (a) kleine Kristallite zur negativen Elektrode hin wachsen (b). Die Kristallite
können auch direkt von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode
wachsen (c). Die Kristallisation entsteht durch positive Ionen, welche
Schneebälle bilden, wenn sie in das superfluide Helium eintreten (d). |
Um
diese mysteriöse Struktur besser zu verstehen, wurden im vergangenen
Jahr zusätzliche Experimente durchgeführt. Diese haben ergeben,
dass der Eisberg in der Tat metallische Kationen (positiv geladene Ionen)
enthält, deren Anzahl bestimmt werden konnte. Wenn man den Eisberg
dem elektrischen Feld zwischen zwei, auf 20'000 Volt geladene Elektroden
aussetzt, so entstehen kleine Kristallite, die entlang der elektrischen
Feldlinien zur negativen Elektrode hin wachsen (Fotos b,c). |
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Die
Freiburger Physiker erklären dies folgendermassen: Das elektrische
Feld zwingt die im Eisberg enthaltene Kationen in das umgebende superfluide
Helium auszutreten (Bild d). Im Superfluidum ziehen die Kationen umgebende
Helium-Atome so stark an, dass diese eine wenige Atome dicke Schale aus
festem Helium um das Ion bilden. Das Ion mit seiner Helium-Kruste bildet
ein nanoskopisches Objekt, das in der Literatur seit den 1950er Jahren
unter dem Namen «Schneeball» bekannt ist.
Zusammen
mit sogenannten Elektronen-Blasen aus dem superfluiden Helium bilden die
Schneebälle ein elektrisch neutrales Konglomerat, das in Form eines
Kristallits zur negativen Elektrode hin wächst. Diese Entdeckung stellt
die erste Beobachtung eines makroskopischen Ensembles von Schneebällen
dar und ist ein weiterer Schritt zum besseren Verständnis der Helium-Eisberge.
In
den beobachteten Prozessen spielen die Kationen die Rolle von Nukleationskeimen,
welche die Verfestigung des flüssigen Heliums herbeiführen. Unter
Nukleation versteht man einen Phasenübergang (flüssig zu fest,
gasförmig zu flüssig) welcher durch einen Keim ausgelöst
wird, wie z.B. die Bildung von Nebel oder Wolken durch die Kondensation
von Wasserdampf auf Staubteilchen oder Aerosolen. Die am Departement für
Physik erhaltenen Resultate sind die erste Beobachtung der Nukleation eines
Quantenkristalls durch Nanoteilchen. Da sich die Bewegung der Kationen
durch elektrische Felder steuern lässt eröffnet dies neue Möglichkeiten
zum kontrollierten Wachstum von Quantenkristallen.
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| Quelle:
Text Departement für Physik, Universität Freiburg , Juni 2009 |
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