Supersolid

Otho Baur April 7, 2016 S 1 0
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Ein supersolid ist ein räumlich geordneten Material mit suprafluiden Eigenschaften. Supraflüssigkeit ist eine spezielle Quantenzustand der Materie, in dem eine Substanz mit einer Nullviskosität fließt.

Hintergrund

Flüssiges Helium-4 wurde von Pjotr ​​Kapitza, John F. Allen, und Don Misener entdeckt, um diese Eigenschaft aufweisen, wenn sie unter eine charakteristische Übergangstemperatur genannt Lambdapunkt abgekühlt. Supraflüssigkeit wird auch beobachtet, wenn Supraleiter unterhalb einer kritischen Temperatur abgekühlt. Jedoch vor der jüngsten Beobachtung der supersolid artiges Verhalten in fester Helium-4, Superfluidität wurde als eine Eigenschaft sein exklusiv für den flüssigen Zustand, beispielsweise supraleitenden Elektronen und Neutronen Flüssigkeiten, Gase mit Bose-Einstein-Kondensate, oder unkonventionelle Flüssigkeiten wie Helium-4 oder Helium-3 bei ausreichend niedrigen Temperatur.

Supraflüssigkeit in Helium ergibt sich aus der Normalflüssigkeit von einer zweiten Ordnung Phasenübergang. In einer verdünnten Gas der Bose-Teilchen es etwa durch einen Phasenübergang, der dem Universalitätsklasse des sphärischen Modell gehört kommt. In dünnen flüssigen Heliums Filmen, entsteht es aus der normalen Flüssigkeit durch eine Erlitz-Thouless Übergang. Im Fall von Helium-4, es war seit 1970 vermutet worden, dass es möglich sein könnte, eine supersolid zu erstellen.

In den meisten Theorien diesem Zustand wird angenommen, dass freie Stellen, Baulücken normalerweise durch Partikel in einer idealen Kristall besetzt ist, gibt es auch bei den absoluten Nullpunkt. Diese Stellen werden von Nullpunkt-Energie, die auch bewirkt, dass sie von Ort zu Ort zu bewegen, wie Wellen verursacht. Da offene Stellen sind Bosonen, wenn solche Wolken der offenen Stellen können bei sehr niedrigen Temperaturen existiert, dann ein Bose-Einstein-Kondensation von offenen Stellen konnte bei Temperaturen von weniger als ein paar Zehntel Kelvin auf. Ein kohärenter Strom von Leerstellen ist äquivalent zu einem "Superflow" der Partikel in die Gegenrichtung. Trotz der Anwesenheit des Gases von Leerstellen, ist die geordnete Struktur eines Kristalls beibehalten wird, wenn auch mit weniger als einem Teilchen auf jedem Gitterplatz im Durchschnitt.

Versuche

Während mehrere Experimente verliefen negativ, in den 1980er Jahren, John Goodkind von UCSD entdeckte die erste "Anomalie" in einem Feststoff durch Verwendung von Ultraschall. Inspiriert von seiner Beobachtung, Eun-Seong Kim und Moses Chan an der Pennsylvania State University sah Erscheinungen, die als supersolid Verhalten interpretiert wurden. Genauer gesagt, beobachtet sie, was sie später den Namen Non-Classical Rotationsträgheit, eine ungewöhnliche Entkopplung des festen Helium von Wänden eines Behälters, die nicht von klassischen Modellen erklärt werden konnte, aber was mit einem suprafluiden artigen Entkopplung von einem kleinen Prozentsatz der Atome war vom Rest der Atome in dem Behälter. Wenn eine solche Auslegung korrekt ist, würde es die Entdeckung einer neuen Quantenphasen der Materie zu bedeuten.

Der Versuch von Kim und Chan suchte Superflow mittels eines "Torsionsschwinger." Um dies zu erreichen, ist ein Drehtisch fest auf einem federbelasteten Spindel angebracht ist; dann, anstatt mit konstanter Geschwindigkeit dreht, der Drehteller eine erste Bewegung in eine Richtung gegeben. Die Feder bewirkt, dass die Tabelle, um ähnlich wie eine Unruh oszilliert. Ein Ringkern mit festem Helium-4 gefüllt ist, an den Tisch befestigt. Die Geschwindigkeit der Schwingung des Drehtisches und toroid hängen von der Menge des festen Bewegungs damit. Wenn es reibungs superfluidem innen, dann die Masse sich mit der donut weniger, und die Schwingung wird mit einer höheren Geschwindigkeit erfolgen. Auf diese Weise kann man die Menge des suprafluiden bestehenden bei verschiedenen Temperaturen zu messen. Kim Chan und festgestellt, dass bis zu etwa 2% des Materials in der Donut war superfluidem .. Ähnliche Experimente in anderen Laboratorien haben diese Ergebnisse bestätigt. Ein geheimnisvolles Feature, nicht in Übereinstimmung mit den alten Theorien ist, dass der Übergang weiterhin bei hohen Drücken erfolgen.

Hochpräzise Messungen der Schmelzdruck von Helium-4 haben in keiner Beobachtung eines Phasenübergang in der festen geführt.

Vor 2007 durchgeführt viele Theoretiker Berechnungen angibt, dass offene Stellen nicht bei Null Temperatur in fester Helium-4 existieren. Zwar gibt es einige Diskussionen scheint es zweifelhaft, dass das, was die beobachteten Experimente war die supersolid Staat. In der Tat, weitere Experimente, einschließlich der von Kim und Chan, hat auch gewisse Zweifel an der Existenz eines echten supersolid. Einem Experiment gefunden, dass die wiederholte Erwärmung, gefolgt von einem langsamen Abkühlen der Probe wird der Effekt verschwindet. Dieses Glühverfahren beseitigt Fehler in der Kristallstruktur. Außerdem sind die meisten Proben von Helium-4 enthalten eine kleine Menge Helium-3. Wenn einige dieser Helium-4 entfernt wird, tritt der Übergang superfluidem bei einer niedrigeren Temperatur, was darauf hindeutet, dass das Superflow mit tatsächliche Fluid Bewegung entlang Unvollkommenheiten im Kristall anstatt einer Eigenschaft der perfekten Kristalls beteiligt.

Kürzlich ist vorgeschlagen worden, ein supersolid in einem optischen Gitter zu realisieren. Ausgehend von einem molekularen Quantenkristall wird supersolidity dynamisch als Out-of-Gleichgewichtszustand induziert. Während benachbarten Molekülwellenfunktionen überlappen, zwei bosonischen Arten zeigen gleichzeitig quasicondensation und langfristige feste Ordnung, die durch ihre Masse Ungleichgewicht stabilisiert wird. Es wird gezeigt, dass dieser Vorschlag in vorliegenden Experimenten mit bosonischen Mischungen in einem optischen Gitter, die einfach vor Ort verfügt über Interaktionen realisiert werden.

Experimentelle und theoretische Arbeit geht weiter in der Hoffnung, er sich schließlich die Frage nach der Existenz eines supersolid.

Im Jahr 2012 wiederholte Chan seinen ursprünglichen Experimente mit einem neuen Gerät, das entworfen wurde, um jeden Beitrag von Elastizität des Heliums zu beseitigen. In diesem Experiment Chan und seine Koautoren fand keine Beweise für supersolidity. Die Forscher sind weiterhin für die schlüssigen Beweise für supersolidity suchen.

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