ZESTIG HELIUM-ATOMEN BLIJKEN VOLDOENDE VOOR SUPERFLUÏDITEIT

In een prachtig voorbeeld van fundamenteel onderzoek bij lage temperatuur is een Duitse onderzoeksgroep erin geslaagd een klassiek experiment om supervloeibaar helium aan te tonen op microschaal nog eens over te doen. Daarbij bleek als extraatje dat een cluster van 60 heliumatomen volstaat om deze exotische toestand van de materie te verwezenlijken (Science, 27 maart).

Superfluïde helium is een quantummechanisch effect dat optreedt bij zeer lage temperatuur. Hoe laag, hangt af van de soort helium. Helium-4, de normale variant, vertoont het verschijnsel beneden 2,12 kelvin (0 kelvin is het absolute nulpunt: -273° C). Het zeldzame helium-3, met in de atoomkern een neutron minder, wordt pas supervloeibaar bij temperaturen onder de 0,003 kelvin. Superfluïditeit, in 1938 door de Russische fysicus Peter Kapitza ontdekt, gaat onder andere gepaard met extreem hoge warmtegeleiding en een zeer lage viscositeit (stroperigheid).

In 1946 deed Andronikasjvili in Moskou een geraffineerd experiment om de supervloeibaarheid van helium-4 aan te tonen. De Rus liet een schijfje in de vloeistof heen en weer draaien (via een torsieslinger) en lette daarbij op het traagheidsmoment, een maat voor de moeite waarmee de schijf op toeren komt. Beneden de overgangstemperatuur van 2,12 kelvin nam de Rus een sterke afname van dit traagheidsmoment waar, kennelijk veroorzaakt door het gemak waarmee de schijf in het supervloeibare helium (waarin de interne weerstand is weggevallen) draait. Aldus werd het Andronikasjvili-experiment een toetssteen voor superfluïditeit.

Het Duitse experiment, uitgevoerd in het Max Planck-instituut voor Stromingsonderzoek te Göttingen, doet dit alles op microschaal nog eens over. De plaats van de draaiende schijf is ingenomen door een enkel molecuul OCS (een combinatie van een zuurstof-, koolstof- en zwavelatoom). Dit molecuul werd aan het draaien gebracht via een infraroodlaser: bij absorptie van een foton (lichtdeeltje) springt het molecuul naar een toestand met hogere rotatie-energie. Welke niveaus dat zijn, blijkt uit een spectraalanalyse van het licht dat het OCS-molecuul uitzendt wanneer het terugvalt naar een lagere energietoestand.

Het nu in Science gepubliceerde experiment betreft zowel helium-3 als helium-4. De temperatuur was 0,37 kelvin, zodat alleen helium-4 superfluïde was. Het absorptiespectrum laat dat goed zien: alleen in het geval van helium-4 traden de scherpe pieken op die corresponderen met rotatieniveaus. De infraroodlaser heeft in die situatie het OCS-molecuul aan het draaien gebracht, opnieuw een bewijs van het wegvallen van de interne wrijving beneden de overgangstemperatuur.

In een minstens zo interessant vervolgexperiment voegden de onderzoekers aan het (zeer zuivere) helium-3 geleidelijk helium-4 toe. Deze atomen kruipen rond het OCS-molecuul. Zodra hun aantal 60 bedraagt, komen de rotatie-pieken - bij zuiver niet-superfluïde helium-3 afwezig - in het spectrum terug. Dit betekent dat het OCS-molecuul, 'ingepakt' door twee lagen helium-4, vrijelijk kan draaien. Conclusie: een cluster van 60 atomen volstaat voor het optreden van superfluïditeit, in fraaie overeenstemming met theoretische berekeningen uit 1990 die uitkwamen op een minimum van 64 atomen.