Quantum-oscillaties tussen reservoirs superfluïde helium-3

Helium wordt pas bij enkele graden boven het absolute nulpunt vloeibaar. Bij verdere afkoeling stolt het niet, ook al wordt de druk nog zo hoog opgevoerd.

Wel wordt het op een gegeven moment superfluïde, waarbij alle helium-atomen in dezelfde toestand raken en de quantummechanica zich (net als bij supergeleiding) op macroscopische schaal openbaart. Eén van de exotische eigenschappen van superfluïde helium is dat de vloeistof iedere interne wrijving verliest, zodat het met het grootste gemak door de kleinste openingen stroomt.

In de quantummechanica gebeuren zaken die in de wereld van het alledaagse absurd overkomen. Wanneer twee macroscopische quantumsystemen zwakjes met elkaar zijn verbonden, zo voorspelden fysici begin jaren zestig, zou de materie spontaan heen en weer moeten gaan stromen als de energie per deeltje aan weerszijden van de scheiding verschilt. Dit oscillatie-effect is bij supergeleiders gescheiden door een 'Josephson-verbinding' waargenomen in de vorm van een wisselstroom.

Aan de Universiteit van Californië in Berkeley is een groep fysici onder leiding van S.V. Pereverzev er nu in geslaagd quantumoscillaties aan te tonen in superfluïde helium-3 (Nature, 31 juli). Dit is een zeldzame vorm van helium (met één in plaats van twee neutronen in de atoomkern). De oscillerende vloeistofstroom uitte zich, na elektronisch te zijn opgepikt, in de vorm van een fluittoon die - opmerkelijk - niet door elektronica maar door het menselijk oor als zodanig werd herkend.

Het helium-3 waarmee de groep van Pereverzev werkte zat in een doosje met een inhoud van ongeveer 10 mm, afgekoeld tot minder dan een duizendste graad boven het absolute nulpunt. Erzin zit een binnenruimte, begrensd door een aluminiumpakking van 0,14 mm dik met daaraan een slap en een stevig membraan. Op het stevige membraan zit een siliciumplaatje geplakt met in het midden de 'zwakke koppeling' tussen binnen- en buitengebied. Die bestaat uit een vlies siliciumnitride (SiN) van 50 nanometer dik (een nanometer is een miljoenste millimeter) met daarin geëtst 4225 identieke gaatjes met ieder een diameter van 100 nanometer. Deze maten, op het randje van het technisch haalbare, zijn cruciaal en worden gedicteerd door de quantumtummechanica. Toegepast op helium-4 leiden deze quantumeisen tot gaatjes die (nog) te klein zijn om te maken.

Via een geladen elektrode in het doosje wordt de binnenkamer onder druk gezet, zodat de energie per heliumatoom binnen en buiten verschilt. Het gevolg is een reguliere heliumstroom door de gaatjes naar buiten, met daarop gesuperponeerd een oscillerende quantum-vloeistofstroom. Het 'klapperen' van het slappe membraan wordt opgepikt door een SQUID, een supergeleidend spoeltje dat minuscule verplaatsingen detecteert. Wanneer het uitgangssignaal van de SQUID na versterking op een hoofdtelefoon wordt gezet, is een gefluit hoorbaar dat naar mate de tijd verstrijkt steeds lager klinkt. Dit in overeenstemming met de theorie, die zegt dat de frequentie van de helium-oscillatie evenredig is met het aangelegde drukverschil. Een mogelijke toepassing van het nu gevonden effect is bijvoorbeeld een ultragevoelige gyroscoop.