Een druppel superkoud helium kan oneindig lang blijven zweven met behulp van sterke magneten en quantumeffecten.

Een druppel helium afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt (−273 graden Celsius) kan oneindig lang blijven zweven in een vacuüm. In deze toestand kan de druppel dienen als mini-laboratorium voor fundamenteel natuurkundig onderzoek.

Bij -269 graden Celsius is vloeibaar helium al uitzonderlijk koud voor een vloeistof. Maar als het nog twee graden kouder is, gaat het zich pas echt raar gedragen. Bij deze tempratuur zorgen quantumeffecten ervoor dat de vloeistof geen viscositeit (stroperigheid) meer heeft. Dat effect heet superfluïditeit. Natuurkundige Charles Brown van de Yale-universiteit in de Verenigde Staten en zijn collega’s knobbelden uit hoe ze een druppel van dit viscositeitsloze helium met een doorsnede van 1 millimeter in een vacuüm voor eeuwig konden laten zweven.

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
LEES OOK

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’

Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...

MRI in het kwadraat

Eerst plaatsten ze een heliumdruppel in een superkrachtige koelkast, waarin zich verder geen enkel luchtmolecuul bevond. Dit superkoude vacuüm maakte van het helium een superfluïde vloeistof, waardoor de onderzoekers deze konden laten zweven met behulp van superkrachtige magneten. Superfluïde helium stoot magnetische velden af, waardoor de juiste positionering van magneten de druppel doet zweven.

Maar om het magnetische veld exact goed te krijgen voor een druppel van een milligram met een millimeter doorsnede, moet je magneten gebruiken die twee tot drie keer sterker zijn dan die van een MRI-scanner, zegt Brown. Zijn team gebruikte magneten gemaakt van supergeleidende draden. ‘Dit is echt het maximale van wat er kan met supergeleidende magneettechnologie’, zegt projectleider en natuurkundige Jack Harris, ook van de Yale-universiteit.

Tijdens gelijksoortige experimenten uit het verleden konden wetenschappers een druppel heel lang laten zweven, maar nooit in een volledig lege ruimte en nooit zo koud als wat nu is gelukt. Door de sterke en precies afgestemde magnetische velden en een hoog kwaliteit vacuüm was de druppel kouder dan de rest van de koelkast. In deze staat was de druppel een baanbrekende twintig uur lang de zwaartekracht de baas, totdat de onderzoekers de magneten weer uitzetten.

Mini-vriezer

Gedurende die twintig uur kromp de druppel langzaam, vanwege de verdamping die plaatsvond door de kleine hoeveelheid warmte die toch de koelkast in kwam. Met een wiskundig model van het experiment toonden de onderzoekers aan dat naarmate de druppel verder zou krimpen, hij nog kouder zou worden, waardoor het verdampen steeds langzamer zou gaan. Uiteindelijk zou de druppel dan op een diameter uitkomen waarbij hij voor altijd kan zweven, zegt Brown.

Natuurkundige J. Peter Toennies van het Max Planck-instituut voor Dynamica en Zelforganisatie in Duitsland zegt dat alhoewel helium de eerste superfluïde vloeistof is die ooit is ontdekt, de relatief grote druppels in dit nieuwe experiment nieuwe deuren openen naar het bestuderen van het koude spul. Een buitengewoon boeiende vraag is of deze grote, zwevende superfluïde druppels gebruikt kunnen worden als stabiele omhulsels, of mini-vriezers, voor het bestuderen van andere moleculen bij lage temperaturen, zegt hij.

Licht vangen

Harris en zijn collega’s zijn er al achter dat superfluïde heliumdruppels superefficiënt zijn in het gevangen zetten van licht in hun binnenste. Deze druppels zijn groter dan de meeste quantumobjecten, maar alle superfluïde vloeistoffen zijn fundamenteel quantum. Daarom willen de onderzoekers nu verder meten hoe deze quantumeigenschappen invloed hebben op hoe de druppels reageren op verstoringen zoals geraakt worden met licht.

Het blootstellen van zo’n druppel aan een magnetisch veld kan ook verduidelijken of de lading van elektronen, neutronen en protonen in materie samen echt optelt tot nul, zegt Harris. Superfluïde helium is superzuiver, dus als een magnetisch veld zo’n druppel kan doen bewegen, zou het redelijk zijn om daaruit te concluderen dat er een of andere volledig nieuwe en onverwachte ladingsdisbalans in de druppel zit, zegt hij.