'Tweede geluid' waargenomen in kwantumgas

Kwantumnatuurkunde is raar. Heel raar. Het zoveelste voorbeeld komt uit Oostenrijk: onderzoekers daar hebben bewezen dat hitte zich in een superfluïde kwantumgas verspreidt als een geluidsgolf, en hadden daarmee een opwindende primeur.

In een gewone stof verspreidt hitte zich via diffusie. De hitte verspreidt zich geleidelijk en evenredig over het materiaal. Maar het is al een tijd bekend dat het in sommige stoffen niet zo werkt. Die stoffen zijn namelijk superfluïde, wat betekent dat ze alle viscositeit ('stroperigheid') hebben verloren.

Door de superfluïditeit van zo'n stof gaat de warmteoverdracht veel sneller. Daardoor kan de hitte zich verspreiden op een manier die nog het meest op de verspreiding van een geluidsgolf lijkt. Daarom wordt het fenomeen ook wel 'tweede geluid' genoemd.

Totnogtoe was dit alleen waargenomen in superfluïde vloeistoffen. De bekendste superfluïde stof is helium-4, een isotoop van helium die ongeveer een kwart van alle massa in het universum vormt. Als die helium-4 afgekoeld wordt tot onder ongeveer 2,17 kelvin, wordt ze ook superfluïde. In deze supergekoelde helium-4 is het tweede geluid al eens waargenomen.

Er werd verondersteld dat het tweede geluid ook in superfluïde kwantumgassen voorkomt. Een kwantumgas is een gas waarbij de atomen ongewoon dicht op elkaar gedrukt zijn. Alle deeltjes gedragen zich ook als golven. Gewoonlijk is de onderlinge afstand van de deeltjes groter dan de frequentie van de deeltjes, maar in kwantumstoffen is de frequentie juist groter dan de onderlinge afstand. Dat veroorzaakt de zogenaamde kwantumeffecten.

Helaas was het tot op heden nog niemand gelukt om het tweede geluid ook daadwerkelijk waar te nemen in een superfluïde kwantumgas. Een team van natuurkundigen van de Universiteit van Innsbruck en de Oostenrijkse Academie der Wetenschappen, in samenwerking met Italiaanse collega's, heeft daar nu verandering in gebracht.

"Ondanks intensief onderzoek op dit gebied gedurende tien jaar, bleef het tweede geluid ongedetecteerd in kwantumgassen", vertelt onderzoeker Rudolf Grimm: "Echter, uiteindelijk bleek het ongelofelijk eenvoudig te bewijzen."

Daarvoor koelden Grimm en z'n team eerst in een vacuümkamer zo'n driehonderdduizend lithiumatomen tot bijna 0 kelvin (-273,15° Celsius) om een kwantumgas te doen ontstaan. Vervolgens gebruikten ze een laser om de wolk van deeltjes lokaal op te warmen.

En de resultaten mogen er zijn, zegt Grimm: "Hoewel in superfluïde helium slechts één golf van entropie ontstond, toonde ons Fermi-gas wat thermische expansie en dus een meetbare dichtheidsgolf." Daarnaast konden de onderzoekers ook als eerste de superfluïde fractie in het kwantumgas waarnemen, wat 'een fundamenteel gat in het onderzoek naar Fermi-gassen' dicht.

De enige vraag die nog rest is hoe we deze doorbraak van onze vrouwen weg kunnen houden. Voordat je het weet hebben ze een nieuwe manier om ons de oren van de kop te zeuren.