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.

Helium ist eines der merkwürdigsten chemischen Elemente. Es verflüssigt sich erst bei einer Temperatur von -269 ºC (= 4 K). Bei -271 ºC (= 2 K) wird es superfluid, und verfestigt sich nicht, selbst wenn man seine Temperatur bis zum absoluten Nullpunkt (-273 ºC = 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.

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).

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).

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.

Kontakte: Prof. Antoine Weis, Departement für Physik, Universität Freiburg, +41 26 300 9030, antoine.weis@unifr.ch.
Dr. Peter Moroshkin, Departement für Physik, Universität Freiburg, +41 26 300 9033, peter.moroshkin@unifr.ch.

Originalartikel: P. Moroshkin, V. Lebedev, and A. Weis, Positive ion induced solidification of 4He, Phys. Rev. Lett. 102, 115301 (2009).
URL: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.102.115301

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).