Supraflüssige Heliumtröpfchen durchleuchtet

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. Um die Dynamik von supraflüssigem Helium zu erkunden, haben Forscher nun winzige Tröpfchen davon mit einem Röntgenlaser durchleuchtet und sogenannte Quantenstrudel beobachtet. Die exotischen Strudel ordnen sich in den Nanotröpfchen zu dichtgepackten Gittern, wie das Team im Fachblatt „Science“ berichtet.

In ihren Experimenten sprühten die Wissenschaftler um Luis Gomez von der University of Southern California in Los Angeles flüssiges Helium durch eine feine Düse in eine Vakuumkammer. Im Flug verdunstete ein Teil des Heliums, und die Verdunstungskälte kühlte den Rest der 0,2 bis 2 Mikrometer großen Tropfen 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 Koautor Daniel Rolles vom Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg.

Das Röntgenlicht der Linac Coherent Light Source am US-Beschleunigerzentrum SLAC in Kalifornien streute an den winzigen Tröpfchen. Gomez und seine Kollegen registrierten die abgelenkten Photonen und werteten die Streubilder anschließend aus. „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. Die Rotation stammt von der Ausdehnung der Tröpfchen in der Düse, durch die sie in die Experimentierkammer gelangen. Die Tröpfchen rotierten bis zu 14 Millionen Mal pro Sekunde.

Durch die schnelle Rotation formten sich im Inneren der Nanotröpfchen sogenannte Quantenstrudel. Dieses Phänomen war bereits in größeren Proben von supraflüssigem Helium beobachtet worden. In beiden Fällen bilden die Strudel ein regelmäßiges Gitter. Doch in den Nanotröpfchen sind die Quantenstrudel überraschenderweise 100 000 Mal dichter gepackt als in größeren Mengen supraflüssigen Heliums. In einem nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler den Ursprung der Quantenstrudel verstehen, um diese letztlich auch kontrollieren zu können.