Soepele kristallen

Na vloeistoffen en gassen is het nu ook gelukt vaste stof in een supertoestand te brengen. Gevolg: vast helium dat probleemloos door poriën vloeit.

HELIUM heeft er naar het zich laat aanzien weer een exotische eigenschap bij. In vaste vorm en afgekoeld tot 0,175 graden boven het absolute nulpunt (175 millikelvin), verliest het kristalrooster haar robuuste karakter en krijgt het een zachtheid en souplesse die het zonder iets van hinder of weerstand door de kleinste poriën doet vloeien. Het supervaste helium, zoals deze toestand is gedoopt, is waargenomen door Moses Chan en zijn promovendus Eun-Seong Kim, verbonden aan Pennsylvania State University (Nature, 15 januari).

Helium, het laatste der `permanente' gassen, is in 1908 vloeibaar gemaakt door Heike Kamerlingh Onnes. Direct probeerde monsieur zéro absolu ook vast helium te maken door de vloeistof af te pompen en zo de temperatuur te verlagen. Maar ook bij 1,5 kelvin bleef helium vloeibaar. Wel viel het de directeur van het Leidse cryogeen laboratorium op dat bij die laagste temperatuur het vloeibare helium uiterst beweeglijk was en moeiteloos opkroop tegen de wand van het vat waarin het was opgevangen. Onnes was, zonder het te beseffen, getuige van het verschijnsel superfluïditeit: beneden 2,2 kelvin verliest vloeibaar helium iedere `stroperigheid' en stroomt moeiteloos door de dunste capillairtjes. Het zou tot 1938 duren eer Pjotr Kapitza deze quantumeigenschap in zijn Moskouse laboratorium zou onderkennen.

nulpuntsenergie

In 1926 lukte het Onnes' opvolger Willem Keesom alsnog het helium in de vaste toestand te krijgen. Essentieel was dat het vloeibare helium onder druk gezet moest worden: door de nulpuntsenergie, een quantumeigenschap waardoor atomen zelfs bij het absolute nulpunt nog bewegen, is afkoeling alléén onvoldoende. In de praktijk volstond 25 atmosfeer. Wel zorgt de nulpuntsenergie voor een sterk samendrukbaar kristal met een lage dichtheid. In zo'n quantumrooster ontstaan gemakkelijk open plekken (vacancies) die zeer mobiel zijn. Omdat het verspringen van een open plek samengaat met het opschuiven van een heliumatoom in het rooster, zou het condenseren beneden een bepaalde temperatuur van die open plekken in een supertoestand, à la Bose-Einsteincondensatie, inhouden dat het supervaste helium moeiteloos zou kunnen stromen. Alle atomen zitten dan immers in dezelfde quantumstoestand.

Chan en Kim deden hun ontdekking met een torsieslinger. Een schijf Vycor-glas, een poreuze glassoort met talloze nanoholtes, werd gevuld met helium onder een druk van 62 atmosfeer, zodat het vast werd. Vervolgens werd de schijf door op twee elektrodes wisselspanning te zetten (zie de figuur) in trilling gebracht en werd bij diverse amplitudes de resonantiefrequentie bepaald. Die varieert met de massa van de schijf. Wat bleek? Bij afkoeling beneden 175 millikelvin ging de resonantiefrequentie omhoog, alsof de schijf opeens een stuk lichter was geworden. Van weggelekt helium was geen sprake: bij verwarming keerde de gewone frequentie terug.

Naar alle waarschijnlijkheid, aldus Chan en Kim, moet de verhoging van de resonantiefrequentie toegeschreven worden aan de overgang van het helium naar de supervaste toestand. Het is dan zo mobiel en flexibel dat het de slingering niet volgt maar door zijn traagheid achterblijft en dus weerstandloos door de poriën van het bewegende glas beweegt.

Om hun hypothese van het supervaste helium verder op de proef te stellen deden de Amerikanen de torsieslingerproef over met helium-3, een lichtere variant (met een neutron minder in de atoomkern). Omdat helium-3-atoomkernen uit een oneven aantal deeltjes bestaan, en ze dus niet dezelfde quantumtoestand kunnen aannemen (het Pauli-uitsluitingsprincipe), is condensatie in een supertoestand ditmaal stukken lastiger (om helium-3 supervloeibaar te krijgen is al een temperatuur van 2,5 millikelvin nodig). In het experiment van Chan en Kim bleef in geval van vast helium-3 het inzakken van de resonantiefrequentie dan ook achterwege, zelfs bij 20 millikelvin.

persisterend

Wanneer het Amerikaanse experiment in andere laboratoria standhoudt, betekent dat dat zowel gassen, vloeistoffen als vaste stoffen Bose-Einsteincondensatie kunnen ondergaan. Bij gassen is dat tien jaar geleden in Boulder aangetoond, over de mogelijkheid van supervaste stof waren theoretisch fysici verdeeld. De vraag is of supervast helium ook buiten een omgeving van minuscule poriën is te realiseren. Chan en Kim suggereren dat juist de aanwezigheid van die poriën het aantal roostergaten in het heliumkristal – bevorderlijk voor het inzetten van de supertoestand – sterk opdrijft. Het cruciale experiment zal intussen bestaan uit het al dan niet kunnen creëren van een persisterende stroom: vast helium dat zonder weerstand `eeuwig' rondjes draait in een poreus medium.