Optische Zentrifuge entschlüsselt reibungslose Supraflüssigkeiten

Supraflüssigkeiten sind ein bizarrer Materiezustand: Sie fließen ohne jede Reibung, selbst wenn man sie in einem Becher umrührt, hören sie nie auf zu kreiseln. Dieses Phänomen tritt auf, wenn Flüssigkeiten wie Helium auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) gekühlt werden. Bislang war es jedoch unmöglich, die Rotation einzelner Moleküle in solchen Supraflüssigkeiten gezielt zu steuern – ein entscheidendes Werkzeug, um ihre geheimnisvollen Eigenschaften zu verstehen.

Ein Team um Dr. Valery Milner von der University of British Columbia hat nun genau das geschafft. Die Forscher entwickelten eine optische Zentrifuge, die mit rotierenden Laserpulsen arbeitet. Normalerweise werden damit Moleküle in Gasen in Drehung versetzt – in einer Flüssigkeit scheiterte dies bisher, weil die Moleküle durch die umgebenden Atome wie in einem Schneeball „festkleben“ und sich kaum noch bewegen lassen. Die Lösung: Die Wissenschaftler betteten Stickoxid-Moleküle in winzige Helium-Tröpfchen ein und fügten eine kurze Verzögerung zwischen den Laserpulsen ein. Dadurch entstand ein Interferenzmuster, das die Rotation verlangsamte und kontrollierbar machte.

„Die Frage, die uns umtreibt, ist: Was ändert sich für ein gelöstes Molekül, wenn man von einer normalen Flüssigkeit zu einer Supraflüssigkeit übergeht?“, erklärt Milner. Mit der neuen Methode können die Forscher nun die Rotationsgeschwindigkeit der Moleküle präzise einstellen – wie mit einem Drehknopf. Sie planen, die Frequenz so lange zu erhöhen, bis die Suprafluidität zusammenbricht. Dieser kritische Punkt, an dem die Reibungslosigkeit verschwindet, ist bislang kaum verstanden.

Die Arbeit, die im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht wurde, ist ein grundlegender Schritt für die Quantenphysik. Zwar hat sie noch keine direkten Anwendungen im Alltag, aber sie eröffnet einen völlig neuen Zugang zu den exotischen Eigenschaften von Quantenflüssigkeiten. Gefördert wurde die Forschung unter anderem vom kanadischen Forschungsrat NSERC und der Canada Foundation for Innovation.