Forscher der Universität Lancaster im Vereinigten Königreich haben herausgefunden, wie superflüssig sich Helium 3He anfühlen würde, wenn man seine Hand hineinlegen könnte. Dr. Samuli Autti ist der Hauptautor der in veröffentlichten Studie Naturkommunikation.
Die Schnittstelle zwischen der exotischen Welt der Quantenphysik und der klassischen Physik der menschlichen Erfahrung ist eines der großen offenen Probleme der modernen Physik.
Dr. Autti sagte: „Praktisch gesehen kennen wir die Antwort auf die Frage ‚Wie fühlt es sich an, die Quantenphysik zu berühren?‘ nicht. Diese experimentellen Bedingungen sind extrem und die Techniken kompliziert, aber ich kann Ihnen jetzt sagen, wie es sich anfühlen würde, wenn Sie Ihre Hand in dieses Quantensystem stecken könnten.
„Niemand konnte diese Frage in der 100-jährigen Geschichte der Quantenphysik beantworten. Wir zeigen jetzt, dass diese Frage – zumindest im supraflüssigen 3He – beantwortet werden kann.“
Die Experimente wurden bei etwa einem Zehntausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt in einem speziellen Kühlschrank durchgeführt und nutzten einen mechanischen Resonator von der Größe eines Fingers, um das sehr kalte Superfluid zu untersuchen.
Beim Rühren mit einem Stab transportiert supraflüssiges 3He die erzeugte Wärme entlang der Behälteroberflächen ab. Der Großteil des Superfluids verhält sich wie ein Vakuum und bleibt völlig passiv.
Dr. Autti sagte: „Diese Flüssigkeit würde sich zweidimensional anfühlen, wenn man den Finger hineinstecken könnte. Die Masse der Superflüssigkeit fühlt sich leer an, während Wärme in einem zweidimensionalen Subsystem entlang der Ränder der Masse fließt – mit anderen Worten: entlang deines Fingers.
Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass der Großteil des Superfluids 3He von einem unabhängigen zweidimensionalen Superfluid umhüllt ist, das mit mechanischen Sonden anstelle des Superfluids interagiert und nur bei einem plötzlichen Energiestoß Zugang zum Superfluid ermöglicht.
Das heißt, supraflüssiges 3He ist bei den niedrigsten Temperaturen und angewandten Energien thermomechanisch zweidimensional.
„Dies definiert auch unser Verständnis von supraflüssigem 3He neu. Für den Wissenschaftler könnte das sogar noch einflussreicher sein als die praktische Quantenphysik.“
Superfluid 3He ist eines der vielseitigsten makroskopischen Quantensysteme im Labor. Es beeinflusst oft scheinbar weit entfernte Bereiche wie die Teilchenphysik (zum Beispiel den Higgs-Mechanismus), die Kosmologie (Kibble-Mechanismus) und die Quanteninformationsverarbeitung (Zeitkristalle).
Eine Neudefinition seiner Grundstruktur kann daher weitreichende Folgen haben.
Mehr Informationen:
S. Autti et al, Transport gebundener Quasiteilchenzustände in einem zweidimensionalen Grenzsuperfluid, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2303.16518