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Erstmals dreidimensionales Wirbelchaos im Quantengas direkt vermessen
Bei Quantenflüssigkeiten können sich chaotische Geflechte winziger Wirbelfäden bilden, deren Zerfall schwer zu untersuchen ist. Nun hat ein Experiment mit ultrakalten Kaliumatomen die dreidimensionale Vinen-Turbulenz anhand solcher Wirbelspuren erstmals direkt vermessen. Ihr Zerfall folgt dabei einem Gesetz, das trotz großer Unterschiede auch für supraflüssiges Helium gilt.
Cambridge (England). Wenn Wasser oder Luft in Bewegung geraten, entstehen mitunter chaotische Strömungen aus unterschiedlich großen Wirbeln. In Quantenflüssigkeiten können Wirbel dagegen nur mit bestimmten Umlaufstärken auftreten und bilden lange, dünne Fäden. Auch solche Fäden können sich ungeordnet miteinander verflechten.
Eine besondere Form dieses Zustands ist die sogenannte Vinen-Turbulenz, bei der sich ein Wirbelgeflecht ohne großräumige Strömungen allmählich auflöst. In supraflüssigem Helium, das nahezu ohne innere Reibung fließt, war dieser Zerfall bisher nur indirekt anhand anderer Messgrößen bestimmt worden. Das Verhalten ungeordneter Wirbelfäden in einem dreidimensionalen Quantengas unmittelbar zu erfassen, blieb dagegen schwierig.
Forscher der University of Cambridge um Sebastian J. Morris haben nun ein solches Wirbelgeflecht in einem Gas aus Kalium-39 untersucht. Sie hielten die Atome nahe am absoluten Temperaturnullpunkt in einer zylindrischen Lichtfalle mit rund 47 Mikrometern Durchmesser. Aus einem zunächst ungeordneten Quantenzustand ließen sie das Gas wieder in Richtung eines gemeinsamen, geordneten Quantenzustands übergehen.
Um die kaum sichtbaren Wirbel zu erkennen, vergrößerte das Team die Atomwolke mit einer sogenannten Materiewellenlinse auf etwa das 3,5-Fache. Anschließend wurde jeweils nur eine rund 15 Mikrometer dicke Schicht der vergrößerten Wolke abgebildet. Wo ein Wirbelfaden diese Schicht durchquerte, erschien in den Aufnahmen eine dunkle Spur mit geringerer Atomdichte.
Die Aufnahmen aus getrennten Versuchsdurchläufen machten die Veränderung des Wirbelgeflechts im Zeitverlauf statistisch nachvollziehbar. Nach ungefähr 80 Millisekunden waren einzelne Wirbelspuren deutlich erkennbar, später nahm ihre Zahl immer weiter ab. Bei einer Aufnahme der gesamten Wolke statt einer dünnen Schicht blieben die Wirbel hingegen verborgen.
Aus der Anzahl der Spuren ermittelten die Wissenschaftler die sogenannte Wirbelliniendichte, also die gesamte Länge der Wirbelfäden pro Raumeinheit. Diese Größe sank anfangs besonders rasch, als sich noch viele Fäden im Gas befanden. Das entspricht dem für die Vinen-Turbulenz vorhergesagten nichtlinearen Zerfall, bei dem die Wirbeldichte selbst die Abnahmerate bestimmt.
Bei sehr wenigen verbliebenen Wirbeln trat zusätzlich ein langsamerer, annähernd exponentieller Verlust in den Vordergrund. Er könnte darauf zurückgehen, dass einzelne Wirbelfäden an den Begrenzungen der Falle verschwinden. Ein Modell, das beide Prozesse berücksichtigt, passte zu den gemessenen Daten.
Das Team wiederholte die Messungen bei drei verschiedenen Stärken der Wechselwirkung zwischen den Atomen. Bei schwächeren Wechselwirkungen entstanden klar erkennbare Wirbel später, doch ihr anschließender Zerfall ließ sich mit demselben Koeffizienten beschreiben. Die Dynamik der Wirbelfäden hing in diesem untersuchten Bereich somit kaum von der Stärke der atomaren Wechselwirkungen ab.
Der ermittelte Zerfallskoeffizient entspricht nach Berücksichtigung der unterschiedlichen Atommassen ungefähr dem Wert für supraflüssiges Helium. Das ist bemerkenswert, weil das Kaliumgas viel dünner ist und seine Atome deutlich schwächer miteinander wechselwirken als die des flüssigen Heliums. Der Vergleich liefert daher experimentelle Hinweise auf ein gemeinsames Gesetz für diese Form der Quantenturbulenz.