Superfluidität: Der mysteriöse Quanteneffekt, der zum Rückgrat der Experimentalphysik wurde

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Hamish Johnston Rezensionen Superfluid: Wie eine Quantenflüssigkeit die moderne Wissenschaft revolutionierte von John Weisend

Künstlerische Darstellung eines Superfluids — **Super seltsam** Viele Eigenschaften von Helium II, einschließlich seiner außergewöhnlichen Wärmeleitfähigkeit, können mithilfe eines Zwei-Fluid-Modells beschrieben werden. (Mit freundlicher Genehmigung von iStock/3quarks)

Die Auswirkungen der Quantenmechanik sind überall um uns herum zu spüren, doch die Quanteneigenschaften der Materie sind im Allgemeinen nur auf mikroskopischer Ebene sichtbar. Eine Ausnahme bildet supraflüssiges Helium, dessen bizarre Eigenschaften bereits mit bloßem Auge erkennbar sind. Als John Weisend – ein Ingenieur an der Europäische Spallationsquelle und Lund University – erklärt in seinem Buch superfluidDiese Eigenschaften haben diese merkwürdige Substanz zu einem wesentlichen Bestandteil vieler Spitzentechnologien gemacht. Supraflüssiges Helium ist keine wissenschaftliche Kuriosität, sondern wird heute von Forschern und Ingenieuren in Mengen von mehreren Tonnen verwendet.

In seinem Buch, das ich gerne gelesen habe, untersucht Weisend, wie supraflüssiges Helium bei einigen der wichtigsten wissenschaftlichen Durchbrüche der letzten 100 Jahre eine wichtige Rolle gespielt hat. Dazu gehören die Entdeckungen des Higgs-Bosons bei CERN und die Inhomogenitäten in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung – beides führte zu Physik-Nobelpreisen.

Während superfluid richtet sich an Nicht-Physiker. Ich habe festgestellt, dass es für mich als jemanden mit einem Hintergrund in der Physik der kondensierten Materie viel Interessantes gibt. Tatsächlich geht Weisend weit über die Physik hinaus und liefert eine klare und prägnante Beschreibung, wie supraflüssiges Helium von Ingenieuren in wissenschaftlichen Experimenten verwendet wird. Das Buch ist mit originalen technischen Zeichnungen illustriert, was ihm eine warme und historische Atmosphäre verleiht.

Flüssiges Helium und die Geburt der Kryotechnik

Die seltsamen Eigenschaften von supraflüssigem Helium-4 (auch als flüssiges Helium II bekannt) entstehen durch die Quantenregeln, die die Symmetrie der Wellenfunktionen von Heliumatomen bestimmen. Elektronen, die Fermionen sind, können nicht denselben Quantenzustand einnehmen, das gilt jedoch nicht für Helium-4-Atome. Bei einer Abkühlung auf unter etwa 2 K kann eine große Anzahl der Atome den Zustand mit der niedrigsten Energie (Grundzustand) einnehmen.

Dabei bilden die Atome eine Supraflüssigkeit. Superflüssigkeiten können bergauf und durch sehr kleine Öffnungen fließen, sie leiten Wärme sehr effizient und sieden nicht wie herkömmliche Flüssigkeiten. Weisend erklärt, dass Helium II aufgrund dieser Eigenschaften äußerst nützlich ist, um Dinge auf sehr niedrige Temperaturen zu kühlen.

Das Buch ist mit originalen technischen Zeichnungen illustriert, was ihm eine warme und historische Atmosphäre verleiht

superfluid beginnt im späten 19. Jahrhundert mit dem Wettlauf um die Verflüssigung von Gasen wie Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff – ein Wettlauf, der das moderne Gebiet der Kryotechnik hervorbrachte. Helium erwies sich als Herausforderung, da seine Siedetemperatur mit 4.2 K viel niedriger ist als bei anderen Gasen. Darüber hinaus wurde Helium erst 1895 auf der Erde isoliert und war bis 1903, als es in Erdgas gefunden wurde, Mangelware.

Der Durchbruch gelang jedoch 1908, als es der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes als erste gelang, Helium zu verflüssigen. Anschließend nutzte Onnes seine Erkenntnisse, um verschiedene Materialien abzukühlen und ihre Eigenschaften zu messen, was 1911 zu seiner Entdeckung der Supraleitung führte. Für seine Arbeiten in der Kryotechnik erhielt er 1913 den Nobelpreis für Physik.

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Hinweise auf Superfluidität könnten von Onnes entdeckt worden sein, als er Hinweise auf einen Phasenübergang in flüssigem Helium sah, als die Substanz abkühlte. Doch trotz dieses anfänglichen experimentellen Erfolgs blieb es bis weit in die 1930er Jahre hinein schwierig, Helium zu verflüssigen, als erstmals die supraflüssige Eigenschaft der Nullviskosität gemessen wurde. Dies gelang sowohl dem sowjetischen Physiker Piotr Kapitza als auch unabhängig davon den kanadischen Forschern Jack Allen und Don Misener. In einem Schritt, den einige kanadische Physiker, darunter auch dieser Rezensent, nicht verziehen haben, wurde nur Kapitza 1978 für diese Entdeckung der Nobelpreis für Physik verliehen.

Einer der faszinierendsten Aspekte von Helium II besteht darin, dass viele seiner einzigartigen und nützlichen Eigenschaften mithilfe eines relativ einfachen Modells verstanden werden können, das beschreibt, dass es superflüssige und normalflüssige Komponenten aufweist. Dieses Zwei-Fluid-Modell wurde Ende der 1930er Jahre von dem in Deutschland geborenen Fritz London und dem Ungar Laszlo Tisza entwickelt und erklärt bemerkenswert gut, wie Wärme und Masse durch Helium II übertragen werden – und Weisend gelingt es auch hervorragend, beides zu beschreiben -Fluid-Modell in seinem Buch.

Die vollständige quantenmechanische Beschreibung von Helium II wurde 1941 vom sowjetischen theoretischen Physiker Lew Landau entwickelt, wofür er 1962 den Nobelpreis erhielt. Weisend beschreibt die Theorie als schwer zu verstehen und unternimmt klugerweise keinen Versuch einer tiefgehenden Erklärung in seinem Buch.

Bleib cool

Während die Physiker bereits in den 1940er Jahren ein gutes Verständnis von Helium II hatten, begannen Wissenschaftler und Ingenieure erst in den 1960er Jahren, die einzigartigen Eigenschaften der Substanz zu nutzen – und Weisend widmet sich viel davon superfluid zu diesen Anwendungen. Er erklärt, dass die beiden nützlichsten Eigenschaften von Helium II seine sehr niedrige Temperatur und seine sehr hohe Wärmeleitung sind, wobei letztere auf ein einzigartiges Phänomen namens „innere Konvektion“ zurückzuführen ist.

Wenn sich Helium II in einem Temperaturgradienten befindet, bewegt sich die normale Komponente der Flüssigkeit vom heißen Bereich weg, während sich die supraflüssige Komponente darauf zubewegt. Weisend erklärt, dass dieser Prozess Helium II zu einem unglaublichen Wärmeleiter macht – es ist fast 1000-mal effizienter bei der Wärmeableitung als Kupfer. Ein weiterer Vorteil der inneren Konvektion besteht darin, dass die Wärme so schnell transportiert wird, dass sich im Helium II bei der Erwärmung keine Blasen bilden können und somit keine Gefahr eines explosionsartigen Siedens besteht.

Trotz seiner seltsamen Quanteneigenschaften fließt Helium II ähnlich wie eine normale Flüssigkeit durch große Rohre und ist daher relativ einfach zu handhaben. Allerdings kann die supraflüssige Komponente sehr leicht durch winzige Poren dringen, während die normale Flüssigkeit dies nicht kann. Das Ergebnis ist der „Fontäneneffekt“, mit dem Helium II ohne mechanische Hilfsmittel gepumpt werden kann.

Das Ergebnis ist, dass Helium II eine Vielzahl von Materialien sehr effizient auf Temperaturen kühlen kann, bei denen sie supraleitend werden. Supraleiter können große elektrische Ströme transportieren, ohne sich zu erwärmen, und Weisend befasst sich in seinem Buch mit zwei sehr fruchtbaren Anwendungen von mit Helium II gekühlten Supraleitern.

Vom Untergrund in den Weltraum

Der erste, der auftauchte, war der supraleitende Hochfrequenzhohlraum (SRF), der in den 1960er Jahren zur Beschleunigung geladener Teilchen entwickelt wurde. Ein SRF-Hohlraum ist im Wesentlichen eine Kammer in einer supraleitenden Röhre, die mit einem HF-Signal in Resonanz tritt. Wenn HF-Energie in den Hohlraum gepumpt wird, entsteht entlang der Röhre ein riesiges oszillierendes elektrisches Feld. Wenn ein geladenes Teilchen genau zum richtigen Zeitpunkt in den Hohlraum eingeführt wird, wird es beschleunigt. Tatsächlich können bei der Verbindung mehrerer unterschiedlicher Hohlräume sehr hohe Beschleunigungen erreicht werden.

Helium II kann eine Vielzahl von Materialien sehr effizient auf Temperaturen kühlen, bei denen sie supraleitend werden

Weisend erklärt, wie die Pionierarbeit zu SRFs geleistet wurde Stanford University in den USA, wo in den 1960er Jahren der Stanford Superconducting Accelerator gebaut wurde. Das Buch beschreibt auch, wie Wissenschaftler in den 1980er Jahren das bauten Kontinuierliche Elektronenstrahlbeschleunigeranlage (CEBAF) in den USA verzichtete auf ein Beschleunigungssystem bei Raumtemperatur und nutzte Helium II-gekühlte SRFs. In den 1990er Jahren wurde die Supraleitender Linearbeschleuniger mit Tera-Elektronen-Volt-Energie (TESLA)-Projekt bei DESY in Deutschland leitete die Entwicklung von SRFs für einen International Linear Collider (ILC), der ein Nachfolger des Large Hadron Collider (LHC) sein könnte.

In der Zwischenzeit haben viele andere Labore Helium-II-gekühlte SRFs eingeführt, darunter auch das CERN. Neben der Kühlung der SRFs am CERN werden die Magnete des LHC auch mit Helium II gekühlt. Weisend weist darauf hin, dass die am CERN und anderen Labors verwendete Magnetkühlungstechnologie für eine ganz andere Anwendung entwickelt wurde, nämlich die Suche nach der Kernfusion in einem magnetisch eingeschlossenen Wasserstoffplasma. Dies geschah bei Tore Supra, einem französischen Tokamak, der von 1988 bis 2010 in Betrieb war und seitdem modernisiert und umbenannt wurde WEST. Der Tokamak befindet sich in Cadarache, wo derzeit der ITER-Fusionskraftdemonstrator mit Magneten gebaut wird, die mit normalem flüssigem Helium statt mit Helium II gekühlt werden.

Superflüssigkeit „fühlt“ sich wie eine wärmeleitende Oberfläche an, die einen leeren Innenraum umschließt

Eine weitere Meisterleistung der Supraflüssigkeitstechnik, die Weisend ausführlich behandelt, ist die Astronomischer Infrarotsatellit (IRAS), das 1983 gestartet wurde und den ersten nennenswerten Einsatz von Helium II im Weltraum darstellte. Weisend erklärt, wie die IRAS-Designer erhebliche Herausforderungen gemeistert haben, einschließlich der Entwicklung einer Möglichkeit, Heliumdampf abzulassen, wenn dieser in einer Umgebung mit geringer Schwerkraft mit Flüssigkeitsklumpen vermischt wird.

IRAS hielt die Supraflüssigkeitskühlung 300 Tage lang aufrecht und entdeckte dabei viele Infrarotobjekte. Sein Erfolg inspirierte zukünftige Missionen, die Helium II verwendeten, einschließlich des Cosmic Background Explorer (COBE). Dies wurde 1989 ins Leben gerufen und führte dazu, dass George Smoot und John Mather 2006 für die Entdeckung der Anisotropie des kosmischen Mikrowellenhintergrunds den Nobelpreis für Physik erhielten.

Neben einem Blick auf die Vergangenheit und Gegenwart von Helium II, superfluid blickt in die Zukunft. Weisend weist darauf hin, dass die Ära von Helium II im Weltraum aufgrund der Entwicklung mechanischer Kühler, die sehr niedrige Temperaturen erreichen können, wahrscheinlich vorbei ist. Er geht auch kurz auf das andere Helium-Superfluid, Helium-3, ein und wie es zusammen mit Helium II verwendet werden kann, um Dinge in einem Verdünnungskühlschrank auf sehr niedrige Temperaturen abzukühlen.

Auch wenn wir möglicherweise keine Superflüssigkeiten mehr in den Weltraum schicken, macht Weisend deutlich, dass es hier auf der Erde viele zukünftige Anwendungen gibt. Tatsächlich könnten mit Helium II gekühlte Fusionskraftwerke zur Dekarbonisierung der Wirtschaft beitragen und Beschleuniger der nächsten Generation könnten uns bald einen Blick auf die Physik jenseits des Standardmodells ermöglichen.