Zusammenfassung:
Die Physik-Community hat einen Durchbruch auf dem Gebiet der Erforschung extremer Materiezustände erzielt. Dem wissenschaftlichen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, die mikroskopischen Eigenschaften eines außergewöhnlichen Quantenmaterials, das in keinem herkömmlichen Behälter enthalten werden kann, mit hoher Präzision zu messen – supraflüssiges Helium. Dieses experimentelle Ergebnis überwindet nicht nur die Messprobleme, die die Physiker seit Jahrzehnten plagen, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten, die Quantenströmungsmechanik und die Entwicklung der Materie in extremen Umgebungen eingehend zu erforschen.
Wenn flüssiges Helium auf einen kritischen Übergangspunkt nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) abgekühlt wird, kommt es zu einem Quantenphasenübergang in einen supraflüssigen Zustand. Stoffe im supraflüssigen Zustand verlieren ihre Viskosität vollständig und erzeugen beim Fließen keinen Reibungswiderstand. Diese extrem reibungsfreie Eigenschaft verleiht Superflüssigkeiten die erstaunliche Fähigkeit, an Wänden zu klettern: Sie können einen extrem dünnen mikroskopischen Film entlang der Wand eines Bechers oder einer Testkammer, in der sie sich befinden, bilden und nach oben klettern und über den Rand des Behälters herausfließen, sodass physikalisch kein herkömmlicher Behälter ihn vollständig abdichten und zurückhalten kann. Dieses spontane Klettern und die Unfähigkeit, sich statisch anzupassen, machten es den Forschern lange Zeit äußerst schwer, seine Thermodynamik- und mikroskopischen Quantendynamikparameter ohne Beeinträchtigung durch Randeffekte stabil zu messen.
Um diese experimentelle Einschränkung zu durchbrechen, haben Physiker eine innovative Aufhängung und berührungslose Erkennungslösung entwickelt. Das experimentelle Team verwendete supraleitende Magnetschwebetechnik und ein präzises optisches Pinzettensystem, um Spurenmengen supraflüssiger Heliumtröpfchen im Weltraum in einem Ultrahochvakuum und einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen zu suspendieren und dabei jeglichen Kontakt mit der Oberfläche eines festen Behälters vollständig zu vermeiden. Anschließend verwendeten die Forscher extrem schwache Lasersonden und hochempfindliche supraleitende Resonanzsensoren, um eine beispiellose hochpräzise Echtzeitüberwachung der Quantenwirbelbewegung, der mikroskopischen Schallwellenausbreitungsgeschwindigkeit und der Quasiteilchen-Anregungsenergie innerhalb der suspendierten Tröpfchen durchzuführen.
Die experimentellen Ergebnisse liefern zum ersten Mal die rein physikalischen Parameter eines Suprafluids ohne Wechselwirkung auf der Behälteroberfläche und bestätigen viele hochmoderne Vorhersagen über ungehinderten Fluss und makroskopische Quantenkohärenz in der Quanten-Vielteilchentheorie. Das Forscherteam wies darauf hin, dass diese Messung nicht nur entscheidend für die Verbesserung der grundlegenden physikalischen Theorie ist, sondern dass der dadurch aufgedeckte mikroskopische Strömungsmechanismus auch wichtige Datenunterstützung für die nächste Generation hochempfindlicher Quantengyroskope, die Kühlarchitektur supraleitender Quantencomputergeräte und die Simulation supraflüssiger Kernmaterie in Neutronensternen in der Astrophysik liefern wird.
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