TERUGSTOOT ROTON IN VLOEIBAAR HELIUM IS VERKEERDE KANT OP

Helium-4 condenseert bij 4,2 graden boven het absolute nulpunt (4,2 kelvin). Bij nog lagere temperatuur, 2,1 kelvin, wordt helium-4 superfluïde. In deze exotische quantummechanische macrotoestand valt de interne wrijving in de vloeistof weg, zodat deze ongehinderd kan stromen. Britse fysici verbonden aan de Universiteit van Exeter publiceren deze week in Science (19 februari) een nieuwe bizarre eigenschap van helium-4: rotonen, exitaties in de vloeistof die zich als quasi-deeltjes gedragen, blijken bij botsingen een stoot uit te delen tegenovergesteld aan de normale richting. Alsof een tennisbal die op een racket botst en een zwieper krijgt snelheid verliest, terwijl het racket na de klap naar voren schiet.

Rotonen zijn in de jaren veertig op theoretische gronden ingevoerd door de Russische natuurkundige Lev Landau. De vreemde, tegenintuïtieve eigenschap van de omgekeerde stoot was weliswaar bekend, maar tot nu toe nooit experimenteel vastgesteld. Dat komt doordat er weinig technieken zijn om hun eigenschappen te meten. Tucker en Wyatt slaagden doordat ze quantumverdamping als uitgangspunt namen. Daarbij wordt het roton aan de oppervlakte van de heliumvloeistof geannihileerd. De vrijkomende energie komt ten goede aan een heliumatoom dat uit de vloeistof wordt geschoten. Noodzakelijk is dat de rotonen op weg naar het vloeistofoppervlak niet gehinderd worden door heliumatomen binnenin de vloeistof.

De Britten maakten hun rotonen 9 millimeter onder het vloeistofoppervlak via een bron bestaande uit twee parallelle metalen films. Samen vormen ze een dunne kooi met open uiteinde.

Door de films tegelijkertijd door middel van een korte stroomstoot te verhitten, treedt uit de kooi een bundel ballistische rotons naar buiten, gericht op het oppervlak van de heliumvloeistof. Aan het oppervlak vinden vervolgens botsingen plaats tussen deze quasi-deeltjes en heliumatomen.

Op 3 millimeter boven dat oppervlak plaatsten de Britten een detector om de uitgetreden heliumatomen waar te nemen. Door de detector parallel aan het vloeistofoppervlat te verschuiven, wist de groep in Exeter te bepalen onder welke hoek een heliumatoom na de klap uit de vloeistof tevoorschijn kwam. Door de richting van het invallende roton met die van het uittredende heliumatoom te vergelijken, zagen Tucker en Wyatt dat de stoot die het roton tijdens de botsing uitdeelt inderdaad tegenovergesteld staat aan zijn bewegingsrichting. Tennissen met rotonen is een vak apart.

(Dirk van Delft)