Kühlt man flüssiges Helium-4 auf unter 2,172 Grad Kelvin herab, so verliert dieses Helium voll und ganz seinen Fließwiderstand. Einmal in Schwung gebracht fließt es ewig weiter - zumindest solange es in diesem supraflüssigen Zustand ist.
Moses Chan, Physikprofessor an der Penn State University in den USA, hat es mit der Kälte. Denn bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius spielen sich gar seltsame Dinge ab. Metalle verlieren ihren elektrischen Widerstand. Gasatome schwingen einträchtig im Takt. Und flüssiges Helium fließt, wohin es will - sogar die Wände eines Bechers hoch.
Normalerweise würde man nicht erwarten, dieses Verhalten bei einem festen Körper zu beobachten. Bei einem Festkörper denkt man ja nicht, dass er fließen kann.
Doch dann machte Moses Chan ein Experiment. Die Schlüsselkomponenten: Heliumgas, ein Hochleistungskühlschrank und ein Drehpendel, in dessen Zentrum ein Stückchen Glas steckte.
Wir ließen das Helium in das Glas eindringen. Dieses Glas war porös und besaß Hohlräume und Kanäle wie ein Schwamm, wenn auch viel kleiner. Genau in diese Hohlräume drang das Helium ein. Dann pressten wir immer mehr Helium in das Glas und kühlten es immer weiter ab. Und schließlich wurde das Helium fest.
Jetzt stießen die Forscher das Drehpendel mitsamt Glas und Helium an. Mit einer bestimmten Frequenz schwang es immer wieder hin und zurück.
Die genaue Frequenz hing ab von der Masse beziehungsweise dem Trägheitsmoment des Drehpendels. Und zu dieser Masse trug ja auch das Helium bei. Als wir das Pendel aber noch weiter abkühlten auf ein Zehntel Grad über dem Temperaturnullpunkt, da schwang es plötzlich schneller - und zwar so, als würde das Helium gar nicht mehr mitschwingen!
Sollte sich das Helium verflüchtigt haben? Nein, sagt Chan. Beim anschließenden Aufwärmen war noch alles da. Da blieb für den Physiker nur ein Schluss:
Trotz eines Drucks von 63 Atmosphären und einer Temperatur von einem Zehntel Grad Kelvin - unter Bedingungen also, bei denen es fest ist - hat sich das Helium wie eine Superflüssigkeit verhalten.
Fest, aber dennoch reibungslos fließend - ein paradoxes Verhalten, das allein mit Hilfe der Quantenphysik zu erklären ist. Demnach kann man Atome nie komplett einfrieren und zu absoluter Ruhe bringen - egal wie tief man sie abkühlt. Denn die Atome hibbeln stets ein wenig um ihre Ausgangslage herum - ähnlich wie Schulkinder, die nie still auf ihren Stühlen sitzen, sondern immer auf ihrem Hosenboden herumrutschen müssen. Nullpunktsbewegung, so nennt der Fachmann diesen Effekt. Und er ist ein typischer Quanteneffekt.
Heliumatome - weil klein und leicht - zeigen eine besonders ausgeprägte Nullpunktsbewegung. Diese Bewegung ist so stark, dass die Atome sogar im Festkörper ihre Plätze tauschen - so als würden die Schüler hinter dem Rücken ihres Lehrers unbemerkt einen Platz weiterrücken. Hinzu kommt, dass sich sämtliche Heliumatome in ein- und demselben Quantenzustand befinden. Sie stimmen ihr Verhalten perfekt aufeinander ab - und damit auch das Weiterrutschen von einem Platz zum nächsten. Das Resultat ist festes Helium, das ohne Widerstand durch den Glasschwamm fließt.
Von technischem Nutzen dürfte die Sache auf absehbare Zeit nicht sein. Die Wissenschaft aber dürfte sie durchaus beeinflussen. Gerade den Theoretikern unter den Physikern könnten sich ganz neue Möglichkeiten eröffnen.
Moses Chan, Physikprofessor an der Penn State University in den USA, hat es mit der Kälte. Denn bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius spielen sich gar seltsame Dinge ab. Metalle verlieren ihren elektrischen Widerstand. Gasatome schwingen einträchtig im Takt. Und flüssiges Helium fließt, wohin es will - sogar die Wände eines Bechers hoch.
Normalerweise würde man nicht erwarten, dieses Verhalten bei einem festen Körper zu beobachten. Bei einem Festkörper denkt man ja nicht, dass er fließen kann.
Doch dann machte Moses Chan ein Experiment. Die Schlüsselkomponenten: Heliumgas, ein Hochleistungskühlschrank und ein Drehpendel, in dessen Zentrum ein Stückchen Glas steckte.
Wir ließen das Helium in das Glas eindringen. Dieses Glas war porös und besaß Hohlräume und Kanäle wie ein Schwamm, wenn auch viel kleiner. Genau in diese Hohlräume drang das Helium ein. Dann pressten wir immer mehr Helium in das Glas und kühlten es immer weiter ab. Und schließlich wurde das Helium fest.
Jetzt stießen die Forscher das Drehpendel mitsamt Glas und Helium an. Mit einer bestimmten Frequenz schwang es immer wieder hin und zurück.
Die genaue Frequenz hing ab von der Masse beziehungsweise dem Trägheitsmoment des Drehpendels. Und zu dieser Masse trug ja auch das Helium bei. Als wir das Pendel aber noch weiter abkühlten auf ein Zehntel Grad über dem Temperaturnullpunkt, da schwang es plötzlich schneller - und zwar so, als würde das Helium gar nicht mehr mitschwingen!
Sollte sich das Helium verflüchtigt haben? Nein, sagt Chan. Beim anschließenden Aufwärmen war noch alles da. Da blieb für den Physiker nur ein Schluss:
Trotz eines Drucks von 63 Atmosphären und einer Temperatur von einem Zehntel Grad Kelvin - unter Bedingungen also, bei denen es fest ist - hat sich das Helium wie eine Superflüssigkeit verhalten.
Fest, aber dennoch reibungslos fließend - ein paradoxes Verhalten, das allein mit Hilfe der Quantenphysik zu erklären ist. Demnach kann man Atome nie komplett einfrieren und zu absoluter Ruhe bringen - egal wie tief man sie abkühlt. Denn die Atome hibbeln stets ein wenig um ihre Ausgangslage herum - ähnlich wie Schulkinder, die nie still auf ihren Stühlen sitzen, sondern immer auf ihrem Hosenboden herumrutschen müssen. Nullpunktsbewegung, so nennt der Fachmann diesen Effekt. Und er ist ein typischer Quanteneffekt.
Heliumatome - weil klein und leicht - zeigen eine besonders ausgeprägte Nullpunktsbewegung. Diese Bewegung ist so stark, dass die Atome sogar im Festkörper ihre Plätze tauschen - so als würden die Schüler hinter dem Rücken ihres Lehrers unbemerkt einen Platz weiterrücken. Hinzu kommt, dass sich sämtliche Heliumatome in ein- und demselben Quantenzustand befinden. Sie stimmen ihr Verhalten perfekt aufeinander ab - und damit auch das Weiterrutschen von einem Platz zum nächsten. Das Resultat ist festes Helium, das ohne Widerstand durch den Glasschwamm fließt.
Von technischem Nutzen dürfte die Sache auf absehbare Zeit nicht sein. Die Wissenschaft aber dürfte sie durchaus beeinflussen. Gerade den Theoretikern unter den Physikern könnten sich ganz neue Möglichkeiten eröffnen.