Foto's superfluïde heliumdruppels op cesium verrassen

Voor het eerst zijn er foto's gemaakt van losse druppels superfluïde helium op een gladde ondergrond van cesium. Amerikaanse fysici verbonden aan de Universiteit van Californië slaagden erin de heliumdruppels door de glazen wanden van een cryostaat (koudefles) heen te fotograferen, zowel van opzij als schuin van boven (Science, 24 okt).

Helium wordt pas vloeibaar bij 4,2 graden boven het absolute nulpunt (-273 °C = 0 kelvin). Bij verdere afkoeling tot 2,19 kelvin wordt het superfluïde, een toestand waarbij de interne wrijving verdwijnt en de vloeistof zonder probleem door de kleinste openingen kruipt. Wanneer een druppel supervloeibaar helium op een vaste ondergrond wordt gedeponeerd, verspreidt de vloeistof zich doorgaans direct in een dunne film over het totale oppervlak uit. Een uitzondering hierop is cesium. Op een vlak gepolijste ondergrond van dit alkalimetaal zijn wel losse druppels superfluïde helium mogelijk, waarbij aan de rand drie fasen bijeenkomen: superfluïde helium, heliumdamp en vast cesium.

De ondergrond in het Amerikaanse experiment bestond uit een gevoelige microbalans van kwarts voorzien van gouden meetelektroden, en op het kwarts gedampt vijftig atoomlagen cesium. Via een capillair (een nauw buisje met een buitendiameter van 0,4 millimeter) werd van buiten heliumgas de cryostaat ingeleid. Onderweg naar de cesiumlaag koelde het af tot onder de overgangstemperatuur naar de superfluïde toestand. De druppels werden met een microscoop 30 maal vergroot en gefotografeerd.

Op de foto's is zichtbaar dat bij een zwellende druppel de druppelrand een hoek van 32° maakt met de ondergrond, onafhankelijk van zijn grootte. Als via het capillair vloeistof werd weggezogen, bleef het oorspronkelijke cirkeloppervlak met een dunne heliumfilm bedekt en kromp de hoek tot praktisch 0°. Wanneer opnieuw vloeistof werd toegevoegd, verspreidde deze zich direct over het oude oppervlak, waarbij de contacthoek met de ondergrond opklom tot 32° - waarna de cirkel groter werd. Alleen door het oppervlak na het wegzuigen van de heliumvloeistof te verhitten, waarbij de superfluïde toestand verdween, kon een nieuwe, kleinere druppel worden gemaakt.

Een andere opvallende eigenschap van de superfluïde druppels was dat ze op een helling van 10° aan de ondergrond bleven kleven, zelfs na herhaaldelijk schudden aan het apparaat (waarbij rimpelingen op het druppeloppervlak zichtbaar waren). De hoek van de druppel met de ondergrond was aan de hoge kant van de helling 32° en aan de lage kant praktisch 0°. Werd vloeistof toegevoegd, dan bewoog de zwaardere druppel uiteindelijk met horten en stoten omlaag. Daarbij effende het de weg voor nieuwe druppels, die onmiddellijk over de achtergebleven heliumfilm - welke uren in stand bleef - langs de helling omlaag roetsjten.

Een afdoende verklaring voor deze exotische verschijnselen bestaat nog niet. Het helium is extreem zuiver, zodat verontreinigingen geen rol spelen, en het cesiumoppervlak is zeer glad. Waarschijnlijk gaat het om metastabiele configuraties van heliumatomen ter plekke van de vloeistofomtrek. Naar een onderliggend mechanisme wordt nog gezocht.