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Freitag, 26.08.2016
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Fermi-Gas ist suprafluid

Erste Messung der Fließeigenschaften eines exotischen Materiezustands

Wissenschaftler haben erstmals die Fließeigenschaften eines exotischen Materiezustands, eines so genannten Fermi-Gases, gemessen. Das in „Science“ veröffentlichte Ergebnis zeigt nicht nur, dass ein solches Fermi-Gas sich ohne jeden inneren Reibungswiderstand bewegt und damit suprafluid ist. Sie bestätigen auch, dass es als Modell für den Zustand des Inneren von Neutronensternen oder auch der Materie Mikrosekunden nach dem Urknall dienen kann.
Quarks in einem Proton

Quarks in einem Proton

Fermionen sind Elementarteilchen mit einem halbzahligen Spin, zu ihnen gehören neben Elektronen und Quarks auch zusammengesetzte Teilchen, die aus einer ungeraden Zahl von Quarks bestehen, wie beispielsweise Protonen oder Neutronen, aber auch bestimmte Atomisotope wie Lithium-6. Unter extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt nehmen diese Fermionen einen Zustand ein, in dem sie nicht mehr miteinander wechselwirken, sie bilden ein so genanntes Fermi-Gas.

Erstmals ist es jetzt Wissenschaftlern gelungen, die Viskosität dieses exotischen Materiezustands im Labor zu messen. Das amerikanische Forscherteam unter Leitung von John Thomas von der Duke Universität nutzte dafür ein atomares Gas aus Lithium-6 Atomen, das in einem winzigen Käfig aus Laserlicht auf wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt wurde. In ein starkes Magnetfeld platziert, entstand ein Fermi-Gas.

Vibrierendes Gas ohne Reibung


Um die Fließeigenschaften dieses Gases zu messen, begannen die Forscher nun, die Falle, in der das Fermi-Gas eingeschlossen war, in schneller Folge zu öffnen, dann wieder zu schließen. Dies brachte den Radius des Gases zum Vibrieren. Die Geschwindigkeit der Oszillationen erlaubte Rückschlüsse auf die Viskosität dieses Materiezustands. Es zeigte sich, dass sich das Fermi-Gas nahezu ohne jede innere Reibung verformte, es verhielt sich wie eine suprafluide Flüssigkeit.

„Diese Ergebnisse sind extrem wichtig für die Festkörperphysik und besonders für die Forschungen im Bereich der Hochtemperatur-Supraleitung“, kommentiert Kathy Levin, theoretische Physikern an der Universität von Chicago.


Modell für Neutronensterne und Urknall


Darüber hinaus gilt das Fermi-Gas jedoch auch als wichtiges Modell für exotische Materieformen wie sie im Inneren von Neutronensternen vorkommen, möglicherweise auch in den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall. Denn aus den universalen Eigenschaften dieses Gases, beispielsweise dem Atomabstand der Lithium-6 Atome, können Forscher hochrechnen auf den Neutronenabstand der Materie im Neutronenstern und daraus auf weitergehende Eigenschaften schließen. Diese Werte wiederum können mit den Vorhersagen der Modelle und Theorien verglichen werden.
(Duke University, 14.12.2010 - NPO)
 
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