Dat helium bij extreme koude superfluïde wordt, is een tastbaar kwantummechanisch verschijnsel. In superfluïde helium ondervinden bewegende objecten geen weerstand – althans zolang ze langzamer bewegen dan de ‘kritische Landau-snelheid’.
Tot nu toe konden wetenschappers dit alleen vaststellen in relatief grote hoeveelheden helium. Nieuw onderzoek laat nu zien dat helium ook in minuscule nanodruppels superfluïditeit vertoont.
Baanbrekend experiment
Het nieuwe baanbrekende experiment is het resultaat van de samenwerking tussen Marcel Drabbels (EPFL) en Wybren Jan Buma (UvA, van ’t Hoff Institute for Molecular Sciences). Het begint met het maken van extreem koude helium nanodruppels met een temperatuur van 0.4 K en een variabele grootte – van een paar miljoen tot minder dan duizend heliumatomen. De onderzoekers brengen daarna in een druppel één enkel metaalatoom of molecuul aan.
Vanwege zwakke aantrekkingskrachten met het helium komt zo’n ‘verontreiniging’ eerst precies in het centrum van de druppel te zitten. Vervolgens ‘activeren’ de onderzoekers het deeltje met een nanoseconde laserpuls. Het komt dan in een (elektronisch aangeslagen) toestand die juist een afstotende interactie met het helium kent. Het effect is dat het deeltje vanuit het centrum van de druppel naar buiten wordt gelanceerd. Daar wordt het ‘geflitst’, zodat de snelheid is vast te stellen.
Snelheidsbegrenzer
Het opmerkelijke resultaat van de experimenten: de gemeten snelheid is altijd hetzelfde. Of het nu om een metaalatoom gaat, een twee-atomig molecuul of veel-atomige moleculen met een kooistructuur: ze schieten allemaal vrijwel even snel de helium nanodruppel uit. Massa of grootte doen er dus niet toe. Ook de afstotende kracht (met de laserpuls in te stellen) bleek niet van invloed.
“We zien dus dat er tijdens de reis van de deeltjes naar de buitenkant van de heliumdruppel een soort snelheidsbegrenzer aan het werk is”, zegt Wybren Jan Buma. In meer wetenschappelijke termen: er bestaat inderdaad voor dit soort nanosystemen een kritische Landau-snelheid. “En daar valt weer uit af te leiden dat er óók bij deze minuscule afmetingen sprake is van superfluïditeit”, aldus Marcel Drabbbels.
Simulaties
Ter ondersteuning van die conclusie voerde theoretisch fysicus Manuel Barranco met zijn team van de Universitat de Barcelona simulaties uit, gebaseerd op de experimentele data. Ook daaruit blijkt dat de ‘verontreiniging’ inderdaad met een kritische snelheid uit de helium nanodruppels komt.
Te zien is hoe een zilveratoom uit een helium nanodruppel wordt gelanceerd. In eerste instantie zit het zilveratoom in het centrum van de druppel als gevolg van de aantrekkende (attractieve) interactie. Door het zilveratoom naar een aangeslagen elektronische toestand te exciteren verandert de elektronverdeling zodanig dat de interactie met het helium afstotend (repulsief) wordt. Dit zorgt ervoor dat het zilveratoom met een steeds grotere snelheid naar buiten wordt geduwd. Op het moment dat het zilveratoom de kritische Landau bereikt verliest het een deel van de bewegingsenergie en neemt zijn snelheid dus af. Dit proces herhaalt zich totdat het zilveratoom uit de nanodruppel treedt. Het ‘uitspugen’ van het zilveratoom is een spektakel op zich, met allerlei bijkomende processen, zoals de excitatie van ‘riplonen’ (oppervlaktegolven).
Praktisch relevant
De nu in Physical Review Letters gepubliceerde resultaten zijn niet alleen van belang vanuit een fundamenteel theoretisch perspectief. Ze hebben ook praktische relevantie.
Buma legt uit dat de kritische Landau snelheid een manifestatie is van Bose-Einstein condensatie, een kwantumeffect dat aan de superfluïditeit ten grondslag ligt. “De kritische Landau-snelheid is in essentie een macroscopische eigenschap van het superfluïde helium. Zo is het ook altijd experimenteel vastgesteld: in heliumvaatjes met een inhoud van enkele deciliters. Maar vandaag de dag maken onderzoekers in allerlei technieken gebruik van nanodruppels helium. Bijvoorbeeld bij de bestudering van chemische reacties bij ultra-lage temperaturen, bij de structuurbepaling van eiwitten of bij de synthese van nanodeeltjes bijzondere metaallegeringen. Daarom is het heel belangrijk dat we nu óók bij nanodruppels zicht hebben op de viscositeitseigenschappen, en weten dat ook daar sprake is van superfluïditeit.”
Tot nu toe was niemand er in geslaagd op de schaal van nanodruppels duidelijke resultaten te boeken, aldus Drabbels. “Spectroscopische experimenten aan moleculaire probes in helium nanodruppels gaven een tegenstrijdig beeld. Bovendien geven die slechts een indirecte indicatie van superfluïditeit. Het meest directe experiment dat je kunt doen is het experiment dat wij hebben uitgevoerd. Eigenlijk was dit al wel algemeen bekend, maar tot nu toe was niemand er toe in staat.”
Informatieve video over supervloeibaar helium (Engels)
Publicatie:
Nils B. Brauer, Szymon Smolarek, Evgeniy Loginov, David Mateo, Alberto Hernando, Marti Pi, Manuel Barranco, Wybren J. Buma, Marcel Drabbels: ‘Critical Landau velocity in helium nanodroplets’, in: Physical Review Letters 111, 153002 (2013) DOI:10.1103/PhysRevLett.111.153002