Superglibber
Materie neemt onwerkelijke fase aan
woensdag 14 januari 2004
Het gebeurt alleen als ‘ie ijs- en ijskoud is. Denk daarbij aan een tiende graad boven het absolute nulpunt van min 273 graden Celsius, een temperatuur waarbij vergeleken zelfs het heelal warm aanvoelt. Neem bij die onthutsende kou wat helium-4, stop het in een extreem klein gaatje, pers het samen met meer dan zestig atmosfeer, en presto: het helium wordt ‘supervast’.
Wat ‘supervast’ precies is, is voor eenvoudige stervelingen lastig te bevatten. Een supervaste stof is een vaste stof die supervloeibaar is: zijn atomen oefenen geen enkele wrijving meer uit op elkaar of hun omgeving. ‘Supervast’ is daarmee een nieuwe fasetoestand van materie, net als ‘vloeibaar’ of ‘gasvormig’.
De atomen van een supervaste stof zitten weliswaar gefixeerd op een vaste plek in een atoomrooster, tóch beginnen ze vrijelijk te stromen: wrijvingloos glibberen ze door hun rooster, om de laatste lege plekjes op te vullen. Een supervaste stof heeft daarmee wel iets weg van een schuifpuzzel, maar dan een zonder wrijving.
De natuurkunde ziet al tientallen jaren reikhalzend uit naar de eerste waarneming van een supervaste stof. In 1938 werd supervloeibaarheid aangetoond in ‘nat’, vloeibaar helium-4, en in 1995 werd er voor het eerst een supervloeibaar gaswolkje van rubidium-atomen gemaakt. Het lag dus in de lijn der verwachting dat ook vaste stof een wrijvingloze ‘super’toestand kent. Maar de natuurkunde wilde dat wél even experimenteel bevestigd zien. Het blijft natuurlijk iets heel raars, zo’n supervloeibare vaste stof.
Om de supervaste fase te bereiken, moesten Chan en Kim helium tot ijs persen en afkoelen tot een ‘Bose-Einsteincondensaat’: een stof die zó koud is dat zijn atomen elkaar overlappen, eigenschappen gaan delen en letterlijk één kwantummechanisch geheel vormen.
Chan en Kim namen daartoe een vier millimeter dun plakje van het poreuze glas Vycor en sloten het samen met wat helium-4 op in een capsule. Daar werd het helium tot vlak boven het absolute nulpunt afgekoeld en in de minuscule poriën van het Vycor geperst, door er druk op uit te oefenen oplopend tot 62 atmosfeer. Ondertussen deden de onderzoekers zeer precieze metingen van de trillingseigenschappen van de capsule.
Bij 0,1 Kelvin, één tiende graad boven het absolute nulpunt, gebeurde er iets vreemds. Opeens trilde de capsule veel sneller. Chan vergelijkt het met het duwen van een kind op een schommel: “Als het kind opeens boven de schommel zou gaan zweven, zou de schommel in sneller tempo terugkomen.” Iets dergelijks moest in de capsule zijn gebeurd. Blijkbaar was het helium zo glibberig geworden, dat het op geen enkele manier meer vast zat aan de wanden van de poriën in het Vycor. Helium moest supervloeibaar zijn geworden.
Ter controle herhaalden Chan en Kim hun experiment met helium-3, een stof waarvoor de spookachtige regels van Bose-Einsteincondensatie niet zonder meer opgaan. De onderzoekers koelden het op aarde zeldzame heliumisotoop af tot twee honderdste graden boven het absolute nulpunt, vijftig maal zo koud als in de proef met het helium-4. Maar wat ze ook zagen, géén supervloeibaarheid. Precies zoals ze hadden gehoopt.
Als het experiment wordt bevestigd, kunnen Kim en Chan gerust alvast een retourtje Zweden kopen. In dat land is het immers goed gebruik dat ontdekkers van supervloeibare zijnstoestanden een Nobelprijs krijgen. Het rubidium-condensaat viel in 2001 in de prijzen; de eerste waarneming van een ‘natte’ supervloeistof, door Pyotr Kapitsa, werd in 1978 bekroond.
Tussendoor kende het Nobelcomité al zeker drie Nobelmedailles toe aan supervloeibaarheidsonderzoek: in oktober nog werd de Brit Anthony Leggett geëerd voor zijn werk aan supervloeibaar helium-3. Heel begrijpelijk, die voorliefde voor supervloeibaarheid, schrijft fysicus John Beamish morgen in een commentaar in Nature. “Meer nog dan supergeleiding is supervloeibaarheid de meest dramatische manifestatie van de kwantummechanica op macroscopische schaal.”
Beamish is dan ook benieuwd of het fenomeen is op te wekken met grotere hoeveelheden helium. Want dat is het ongelooflijke van supervloeibaarheid: een supervloeistof stroomt in theorie net zo gemakkelijk omhoog als een andere kant op – wat erop neerkomt dat het je glas kan uitklimmen. Vertaald naar een vaste stof zou je kunnen denken aan een spookachtig blokje materie dat tegen de muren opglibbert.
Of de supervaste stof ooit dergelijke fratsen zal vertonen in de wereld van alledag, valt echter zeer te betwijfelen. Chan vindt het al heel wat als hij meer te weten kan komen over de thermodynamische, akoestische en andere eigenschappen van supervast helium in de poriën van een plakje glas.
Maarten Keulemans
E. Kim en M. Chan: Probable observation of a supersolid helium phase. In: Nature, Vol. 427, 225-228 (2004).
John Beamish: Supersolid helium. In: Nature, Vol. 427, 204-205 (2004).
bron: noorderlicht.vpro.nl
Hieronder een supervloeibare toestand van materie (een zgn. bose-einstein condensaat, waar de gehele vloeistof zich als 1 atoom gedraagt)
1 Replies
6974 Views