MIT-Physiker schufen eine perfekte Flüssigkeit und fingen den Ton ein – hören Sie hier.

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Die Ergebnisse sollen den Wissenschaftlern helfen, die Viskosität in Neutronensternen, dem Plasma des frühen Universums und anderen stark wechselwirkenden Flüssigkeiten zu untersuchen.

Für einige ist das Geräusch eines “perfekten Flusses” vielleicht das sanfte Plätschern eines Waldbaches oder vielleicht das Klingen von Wasser, das aus einem Krug gegossen wird. Für Physiker ist ein perfekter Fluss spezifischer und bezieht sich auf ein Fluid, das mit der geringsten Reibung oder Viskosität fließt, die nach den Gesetzen der Quantenmechanik zulässig ist. Ein solch perfekt flüssiges Verhalten ist in der Natur selten, aber man nimmt an, dass es in den Kernen von Neutronensternen und im Suppenplasma des frühen Universums vorkommt.

Jetzt haben MIT-Physiker im Labor ein perfektes Fluid erzeugt und festgestellt, dass es sich ungefähr so anhört:

Diese Aufnahme ist das Produkt eines Glissandos von Schallwellen, die das Team durch ein sorgfältig kontrolliertes Gas aus Elementarteilchen, die als Fermionen bekannt sind, geschickt hat. Die Tonhöhen, die man hören kann, sind die besonderen Frequenzen, bei denen das Gas wie eine gezupfte Saite schwingt.

Die Forscher analysierten Tausende von Schallwellen, die sich durch dieses Gas ausbreiteten, um seine “Schalldiffusion” zu messen, oder wie schnell sich der Schall im Gas zerstreut, was in direktem Zusammenhang mit der Viskosität oder der inneren Reibung eines Materials steht.

Überraschenderweise fanden sie heraus, dass die Schalldiffusion der Flüssigkeit so gering war, dass sie durch eine “Quanten”-Reibungsmenge beschrieben werden konnte, die durch eine als Planck-Konstante bekannte Naturkonstante und die Masse der einzelnen Fermionen in der Flüssigkeit gegeben ist.

Dieser fundamentale Wert bestätigte, dass sich das stark wechselwirkende Fermiongas wie ein perfektes Fluid verhält und von universeller Natur ist. Die Ergebnisse, die heute in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurden, zeigen zum ersten Mal, dass Wissenschaftler in der Lage waren, die Schalldiffusion in einer perfekten Flüssigkeit zu messen.

Die Wissenschaftler können das Fluid nun als Modell für andere, kompliziertere perfekte Strömungen verwenden, um die Viskosität des Plasmas im frühen Universum sowie die Quantenreibung in Neutronensternen abzuschätzen – Eigenschaften, die sonst unmöglich zu berechnen wären. Wissenschaftler könnten sogar in der Lage sein, die Geräusche, die sie erzeugen, annähernd vorherzusagen.

“Es ist ziemlich schwierig, einem Neutronenstern zuzuhören”, sagt Martin Zwierlein, der Thomas A. Frank-Professor für Physik am MIT. “Aber jetzt könnte man ihn in einem Labor mit Atomen nachahmen, diese Atomsuppe schütteln und ihm zuhören, und man wüsste, wie ein Neutronenstern klingen würde.

Während sich ein Neutronenstern und das Gas des Teams hinsichtlich ihrer Größe und der Geschwindigkeit, mit der sich der Schall durch den Stern bewegt, stark unterscheiden, schätzt Zwierlein anhand einiger grober Berechnungen, dass die Resonanzfrequenzen des Sterns denen des Gases ähnlich und sogar hörbar wären – “wenn Sie Ihr Ohr nahe heranbringen könnten, ohne von der Schwerkraft auseinander gerissen zu werden”, fügt er hinzu.

Zwierleins Co-Autoren sind der Hauptautor Parth Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard Fletcher und Julian Struck vom MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Klopfen, hören, lernen

Um im Labor eine perfekte Flüssigkeit zu erzeugen, erzeugte Zwierleins Team ein Gas aus stark wechselwirkenden Fermionen – Elementarteilchen, wie Elektronen, Protonen und Neutronen, die als Bausteine aller Materie gelten. Ein Fermion wird durch seinen halbzahligen Spin definiert, eine Eigenschaft, die verhindert, dass ein Fermion den gleichen Spin wie ein anderes nahegelegenes Fermion annimmt. Diese exklusive Eigenschaft ermöglicht die Vielfalt der atomaren Strukturen, die im Periodensystem der Elemente zu finden sind.

“Wären Elektronen keine Fermionen, aber glücklich, im gleichen Zustand zu sein, würden Wasserstoff, Helium und alle Atome, und wir selbst, gleich aussehen, wie eine schreckliche, langweilige Suppe”, sagt Zwierlein.

Fermionen halten sich natürlich lieber voneinander fern. Aber wenn man sie zu starker Wechselwirkung bringt, können sie sich wie eine perfekte Flüssigkeit mit sehr niedriger Viskosität verhalten. Um eine solche perfekte Flüssigkeit herzustellen, verwendeten die Forscher zunächst ein Lasersystem, um ein Gas aus Lithium-6-Atomen, die als Fermionen gelten, einzufangen.

Die Forscher haben die Laser präzise so konfiguriert, dass sie einen optischen Kasten um das Fermiongas bilden. Die Laser waren so abgestimmt, dass die Fermionen beim Auftreffen auf die Kanten des Kastens wieder in das Gas zurückprallten. Auch die Wechselwirkungen zwischen den Fermionen wurden so gesteuert, dass sie so stark waren, wie es die Quantenmechanik zulässt, so dass die Fermionen im Inneren des Kastens bei jeder Begegnung miteinander kollidieren mussten. Dadurch verwandelten sich die Fermionen in eine perfekte Flüssigkeit.

“Wir mussten eine Flüssigkeit mit gleichmäßiger Dichte herstellen, und erst dann konnten wir auf einer Seite klopfen, auf der anderen Seite zuhören und von ihr lernen”, sagt Zwierlein. “Es war eigentlich ziemlich schwierig, an diesen Ort zu gelangen, wo wir den Schall auf diese scheinbar natürliche Weise nutzen konnten.

“Perfekt fließen”

Das Team schickte dann Schallwellen durch eine Seite des optischen Kastens, indem es einfach die Helligkeit einer der Wände variierte, um schallartige Vibrationen durch die Flüssigkeit bei bestimmten Frequenzen zu erzeugen. Sie zeichneten Tausende von Momentaufnahmen der Flüssigkeit auf, während jede Schallwelle durch den Kasten kräuselte.

“Alle diese Momentaufnahmen zusammen ergeben ein Sonogramm, und es ist ein bisschen wie bei der Aufnahme eines Ultraschallbildes

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