Lectures / 26/06/2012 7:30 pm

Kepler Salon Extra: Why helium causes physicists much delirium

Helium, das kleinste aller Atome, steckt voller Überraschungen und Superlative. Obzwar auf der Erde äußerst knapp, ist es das zweithäufigste Element im Universum. Anders als alle anderen Substanzen bleibt Helium bis zu den tiefsten Temperaturen flüssig und kristallisiert nur unter hohem Druck. Auch die Entdeckung eines bis 1938 unbekannten Aggregatszustandes, der Suprafluidität, verdankt die Wissenschaft dem Helium – ein Phänomen, das bis heute Rätsel aufwirft, insbesondere seit einer neuen Entdeckung vor wenigen Jahren: auch festes Helium zeigt Anzeichen von Suprafluidität. Seit über hundert Jahren ist Helium somit immer wieder für Überraschungen gut und bereitet selbst den herausragendsten Physikern Kopfzerbrechen. Jan Peter Toennies wird Einblicke in diese spannende und geheimnisvolle Materie geben.

Mehr unter: www.jku.at/itp/content/e64761/e162156/e168139/

Dieser Vortrag findet in englischer Sprache statt. Fragen können auch auf Deutsch gestellt werden!

Eine Veranstaltung des Instituts für Theoretische Physik der Johannes Kepler Universität Linz in Kooperation mit dem Kepler Salon

Helium, das kleinste aller Atome, steckt voller Überraschungen und Superlative. Es ist die chemisch reaktionsträgste Substanz: alle Heliumverbindungen zerfallen sofort. Helium ist zwar auf der Erde äußerst knapp, aber in unserem Sonnensystem ist es, nach Wasserstoff, das zweithäufigste Element. Als einzige Substanz gefriert Helium bei Normaldruck nicht, sondern bleibt bis zu den tiefsten Temperaturen flüssig. Das Wettrennen um seine Verflüssigung – das letzte Permanentgas, bei dem dies gelang – wurde 1908 vom holländischen Physiker Heike Kamerlingh-Onnes gewonnen.

Unterhalb von 2,17 K (minus 271 °C) zeigt Helium ein äußerst merkwürdiges Verhalten: 1938 erkannte man, dass ein Übergang in eine neue Phase vorliegt und nannte sie “suprafluid”. Jack Allen und Don Miesener in Cambridge und Pyotr Kapitsa in Moskau belegten dies überzeugend in derselben Ausgabe der Zeitschrift “Nature”. Im gleichen Jahr stellte Fritz London die Hypothese auf, das ungewöhnliche Phänomen könne durch eine neuartige “Quanten-Kondensation” erklärt werden, wie sie von Bose und Einstein 1924 vorhergesagt worden war. Erstaunlicherweise liegt selbst heutzutage noch keine völlig zufriedenstellende Theorie der Suprafluidität vor – und das, obwohl zahlreiche herausragende Physiker sich darüber die Köpfe zerbrochen haben, unter ihnen die Nobelpreisträger Lev Landau, C. N. Yang und T. D. Lee, Richard Feynmann, Philip Anderson und Tony Leggett.

Neue Herausforderungen stellten sich 1995, als die Bose-Einstein Kondensation auch in lasergekühlten Gasen von Alkali Atomen bei ultrakalten 10-7 K achgewiesen wurde. Im gleichen Jahr fand man ähnliche Effekte in den Spektren chromophorer (also “farbtragender”) Moleküle, die in suprafluiden Helium-Nanotröpfchen bei 0.38 K (minus 271.8 °C) gefangen sind. Da inzwischen die Ummantelung aus nur ein paar dutzend Helium-Atomen besteht, stellt dies die gängige Lehrmeinung in Frage, Suprafluidität sei ein makroskopisches Phänomen. Neuere experimentelle Ergebnisse lieferten den Forschern eine weitere Herausforderung: Kann etwa auch festes Helium (bei 25fachem Atmosphärendruck realisierbar) “suprafest” werden? Seit mehr als 100 Jahren ist also Helium immer wieder für Überraschungen gut und bereitet den Physikerinnen und Physikern Kopfzerbrechen.

Helium, the smallest of all atoms, is a substance of surprises and superlatives. As the most inert, it is the only atom for which no chemistry is known. Although very rare on earth, it is the second most abundant element in the solar system. It is the only substance that remains liquid down to the lowest temperatures and was the last of the permanent gases to be liquefied.The race to achieve this was won in 1908 by the Dutch physicist Heike Kamerlingh-Onnes.

In 1938 it was realized that the strange behaviour of helium observed at 2.17 K (minus 271°C) marked its transition to a new state of matter called “superfluid”. Jack Allen and Don Miesener in Cambridge and Pyotr Kapitsa in Moscow reported the convincing evidence simultaneously in Nature. That same year Fritz London speculated about explaining the strange new phenomenon by a new type of quantum “condensation” proposed by Bose and Einstein in 1924. Surprisingly, even today a completely satisfactory theory of superfluidity is still not available, despite the efforts of many great theoreticians including the Noble Prize Laureates Lev Landau, C. N. Yang and T. D. Lee, Richard Feynmann, Philip Anderson and Tony Leggett.

More challenges came in 1995, when the Bose-Einstein condensation was finally observed in laser-cooled alkali atom gases at 10-7 K. That same year superfluid related phenomena were observed in the spectra of chromophore molecules embedded in very cold (0.38 K) superfluid nanodroplets consisting of only hundreds of helium atoms. Similar effects have since been found in clusters with only a dozen atoms. These experiments challenge the long standing view that superfluidity is a macroscopic phenomenon. Today the superfluidity of solid helium provides yet another challenge for experimentalists and theoreticians. Thus after more than 100 years helium continues to provide new surprises and still causes physicists much delirium.