Japanische Physiker untersuchten mit Magnetresonanzspektroskopie superfluides Helium-3 und sahen darin erstmals die Bildung chiraler Domänenwände, die zuvor in anderen Experimenten indirekt bestätigt worden waren. Der Artikel wurde in Physical Review Letters veröffentlicht, über den Physics kurz berichtete.
Unter normalen Bedingungen befindet sich Helium-3 in einem gasförmigen Zustand, aber wenn die Temperatur sinkt, beginnt es ungewöhnliche Eigenschaften zu zeigen. Beim Abkühlen auf 3,2 Kelvin wird Helium-3 also flüssig, und bei einer Temperatur von weniger als 2,6 Millikelvin und einem Druck von mehr als 34 Atmosphären wird es supraflüssig - mit anderen Worten, die Reibung zwischen benachbarten Flüssigkeitsschichten verschwindet, und es fließt frei auch durch die engsten Kapillaren. Dies liegt daran, dass Helium-3 in einen Bose-Kondensatzustand übergeht, in dem sich alle Teilchen im gleichen Quantenzustand mit möglichst geringer Energie befinden und die Bewegung des Kondensats durch eine gemeinsame Wellenfunktion, die Phase und deren Amplitude sich von Punkt zu Punkt ändert … In diesem Fall verbinden sich einzelne Helium-3-Moleküle, deren Spin gleich ½ ist, zu Paaren, ähnlich den Cooper-Elektronenpaaren, und bilden Bosonen - Teilchen mit ganzzahligem Spin. Mehr Details zu Bose-Einstein-Kondensat finden Sie in unserem Text "Quantengase bei tiefen Temperaturen" und zu Cooper-Paaren - im Material "Unterhalb der kritischen Temperatur".
Diese Tatsache unterscheidet flüssiges Helium-3 deutlich von anderen suprafluiden Flüssigkeiten, deren Partikel zunächst Bosonen sind (zB Helium-4). Die aktuelle Theorie legt nahe, dass Helium-3 bei niedrigen Temperaturen als chirale Supraflüssigkeit angesehen werden kann. Grob gesagt ähnelt die Struktur einer solchen Flüssigkeit magnetischen Domänen in Ferromagneten - innerhalb einer chiralen Domäne sind die Drehimpulse von Teilchen in die gleiche Richtung gerichtet und die Domänen selbst sind durch Wände getrennt, an denen sich die Richtung des Drehimpulses ändert zum Gegenteil. Dabei können die Dimensionen chiraler Domänen und Wände Zehntelmillimeter erreichen. Das Wort "chiral" erscheint in diesem Fall, um das Fehlen einer Spiegelsymmetrie in einer solchen Struktur zu betonen. In der Folge wurde eine solche Anordnung in zahlreichen indirekten Experimenten bestätigt – etwa bei der Messung von Torsionsschwingungen oder der Untersuchung des Einflusses der inneren Magnuskraft (intrinsische Magnuskraft) auf die Elektronenbewegung in Helium-3. Trotzdem konnten die Wissenschaftler die Domänenwände nicht direkt sehen.
Domänenstruktur eines Ferromagneten
Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Yutaka Sasaki wandte ihre entwickelte Magnetresonanzspektroskopie (MRI) an, um die Struktur von suprafluidem Helium-3 zu untersuchen und konnte erstmals die Bildung von Domänenwänden darin bei Temperaturen unter kritischen Temperaturen beobachten. Diese Technik beruht auf dem Phänomen der magnetischen Kernresonanz (NMR) – der resonanten Absorption von Energie aus einem externen Magnetfeld durch Kerne mit einem Spin ungleich null. Grob gesagt, wenn ein solcher Kern in ein magnetisches Wechselfeld gebracht wird, beginnt sein magnetisches Moment zu schwingen und "borgt" sich Energie aus dem äußeren Feld; wenn die Frequenz der Feldänderungen mit der Resonanzfrequenz der Übergänge übereinstimmt, schwingen die Schwingungen besonders stark. Genauer über NMR wird beispielsweise in diesem Artikel beschrieben. Wichtig ist, dass bei Helium-3 die Intensität des absorbierten Signals von der Orientierung der Drehimpulse der Teilchen abhängt, was die Unterscheidung zwischen Bereichen mit entgegengesetzt gerichteten Drehimpulsen sowie Domänenwänden ermöglicht. Insbesondere in einem Experiment mit superfluidem Helium-3 gelang es den Wissenschaftlern, eine räumliche Auflösung des Bildes in der Größenordnung von zehn Mikrometern zu erreichen.
In diesem Experiment platzierten Wissenschaftler flüssiges Helium-3 in einer etwa 0,1 Millimeter dicken und einige Millimeter breiten Zelle, die sich in einer Magnetspule befand. Durch das Abkühlen der Probe auf zwei Millikelvin beobachteten Physiker die Bildung von gekrümmten Domänenwänden darin, die etwa ein oder zwei Millimeter voneinander entfernt waren. Diese Struktur blieb bis zu einer kritischen Temperatur von etwa 2,4 Millikelvin stabil, bei der Helium-3 aufhört, supraflüssig zu sein. Wie erwartet verschwanden die Wände oberhalb dieser Temperatur und tauchten bei wiederholtem Abkühlen wieder auf, jedoch an einer anderen Stelle. Dies deutet nach Ansicht der Wissenschaftler darauf hin, dass die Domänenbildung in suprafluidem Helium spontan erfolgt und nicht mit inneren Verunreinigungen oder äußeren Randbedingungen verbunden ist.
MRT-Bilder einer Probe in normalen (a, b) und suprafluiden (d, e, f) Phasen; die Farbe entspricht der Intensität des absorbierten Signals. Grafik (c) zeigt ein detaillierteres Absorptionsspektrum der normalen (blaue Linie) und der superfluiden (roten) Phasen.
Wissenschaftler stellen fest, dass die von ihnen entwickelte Technik nicht nur zur Untersuchung von Domänen verwendet werden kann, sondern auch zur Visualisierung anderer topologischer Objekte in topologischen Suprafluiden, wie Spin-Masse-Wirbeln, Wirbelblättern und Halbquantenwirbeln (Halbquantenwirbel).
Im Juni 2017 haben Forscher aus Italien, Kanada, Finnland und Großbritannien erstmals ein System entwickelt, das sich bei Raumtemperatur wie eine suprafluide Flüssigkeit verhält. Es basiert auf exzitonischen Polaritonen in einem Fluoreszenzfarbstoff, die wie flüssiges Helium in einen Bose-Kondensatzustand übergehen. Und im März desselben Jahres gelang es zwei anderen Wissenschaftlergruppen, einen suprafluiden Festkörper zu erhalten, der gleichzeitig die Eigenschaften eines Kristalls besitzt und in einen suprafluiden Zustand übergeht.
Im Juni 2015 zeigte der japanische Physiker Hiroki Saito theoretisch, dass man in Suprafluiden wie in gewöhnlichem Wasser schwimmen kann, obwohl es keine Reibung zwischen Flüssigkeitsschichten gibt. In diesem Fall erfolgt die Bewegung zwar ohne Bildung von Wellen und Turbulenzen.
