Erstmaliger spektroskopischer Nachweis kleinster Wasserstoff-Tröpfchen

Suprafluidität ist ein ungewöhnlicher Zustand von Flüssigkeiten, bei dem die Flüssigkeit ohne Reibung oder Widerstand fließt. Bisher konnte dieses Phänomen nur für flüssiges Helium nachgewiesen werden. Einem spanisch-deutsch -amerikanischen Forscherteam ist es jetzt gelungen, erstmals das schrittweise Wachstum winziger Cluster von bis zu acht Wasserstoffmolekülen zu beobachten (Physical Review Letters, 2. Juni 2004). Die Forscher nutzten dazu eine speziell für den Nachweis von molekularem Wasserstoff von ihnen entwickelte Spektroskopie-Technik. Obwohl die Cluster viel kälter waren als der Gefrierpunkt von Wasserstoff (-259 Grad Celsius = 14 Kelvin), bewegten sich die Moleküle immer noch frei wie in einer Flüssigkeit und nicht auf festen Positionen wie in einem Festkörper. Damit sollte die neue Technik dafür geeignet sein, die immer noch offene Frage zu beantworten, ob reiner Wasserstoff ausreichend "unterkühlt" werden kann, bis er superfluide wird.

Seit den 1960er Jahren ist bekannt, wie man kleine Cluster durch die Expansion eines Gases unter hohem Druck in eine Vakuumkammer experimentell erzeugen kann. Dabei entsteht ein gerichteter Strahl aus kleinen Clustern, die anschließend mit den verschiedenen physikalischen und chemischen Methoden auf ihre Eigenschaften untersucht werden können. Doch wegen der bereits erwähnten experimentellen Schwierigkeiten, die von den nur zwei Elektronen im Wasserstoff-Molekül herrühren, konnte man diese Methoden bisher nicht auf Wasserstoffmoleküle anwenden. Doch jetzt ist es einem spanisch-deutsch-amerikanischen Forscherteam um Montero (Madrid) und Toennies (Göttingen) gelungen, solche molekularen Wasserstoff-Cluster nicht nur zu erzeugen, sondern auch nachzuweisen und zu charakterisieren.

In dem neuen Experiment, ausgeführt im Instituto de Estructura de la Materia-CSIC in Madrid, konnte das Forscherteam die Empfindlichkeit einer weitverbreiteten Untersuchungsmethode, der Raman-Spektroskopie, genannt nach dem indischen Entdecker Sir Chandrasekhara Venkata Raman (Nobelpreis 1930), soweit verbessern, dass erstmals der Nachweis kleiner Wasserstoff-Cluster möglich wurde. Die verbesserte Methode ist so empfindlich, dass sogar die örtliche Konzentration der einzelnen Wasserstoff-Cluster mit einer räumlichen Auflösung von nur zwei Mikron (1 Mikron = 10^-6 Meter) bestimmt werden konnte. Damit war es auch möglich, die Entstehung und Wachstum der Cluster entlang der Expansion zu verfolgen. Zur Deutung der Spektren wurde das quantenmechanische Verhalten der Moleküle in den einzelnen Clustern mit einer der von Ceperley angewandten ähnlichen Methode simuliert. Diese Rechnungen bestätigten, dass die Cluster aufgrund der erwarteten Quanteneffekte stark delokalisiert (verschwommen) sind und nicht, wie man sonst erwartet hätte, in den festen Zustand übergegangen sind.

Durch diese Experimente wurde erstmals der Weg zum Nachweis der Suprafluidität in reinen Wasserstoff-Clustern geebnet. Andere Untersuchungen zeigen, dass die Cluster kälter als ein Grad Kelvin sein sollten. Die Cluster müssten also hinreichend kalt sein, um suprafluide zu werden. Eine solche Temperatur kann durch die Beimischung eines Überschusses an Helium erreicht werden. Dazu wollen die Forscher auch die Empfindlichkeit und Auflösung der Spektren weiter verbessern. Erst dann können die theoretischen Vorhersagen von Ginzburg und Sobyanin sowie Ceperley und Mitarbeitern endgültig überprüft werden.

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Quelle: Max-Planck-Gesellschaft