English
Swedish

9 oktober 1996

Kungl. Vetenskapsakademien har beslutat att utdela 1996 års Nobelpris i fysik gemensamt till

Professor David M. Lee, Cornell University, Ithaca, New York, USA,

Professor Douglas D. Osheroff, Stanford University, Stanford, Kalifornien, USA och

Professor Robert C. Richardson, Cornell University, Ithaca, New York, USA,

för upptäckten av suprafluiditet i helium-3.

Ett genombrott inom lågtemperaturfysiken

Då temperaturen sjunker en kall vinterdag blir vattenånga vatten och vatten blir is. Dessa så kallade fasomvandlingar och de förändrade tillstånden hos materien kan grovt sett beskrivas och förstås med hjälp av klassisk fysik. Vad som sker när temperaturen faller är att den slumpmässiga värmerörelsen i gaser, vätskor och fasta kroppar avstannar. Men situationen blir en helt annan då temperaturen sänks ytterligare och närmar sig den absoluta nollpunkten -273,15°C. I prov av flytande helium uppträder t.ex. suprafluiditet, ett fenomen som inte kan förstås med hjälp av klassisk fysik. När en vätska blir supraflytande förlorar plötsligt vätskans atomer all sin slumpmässighet och samverkar istället vid varje rörelse. Detta gör att vätskan kommer att sakna inre friktion, kan flyta över kanten på en bägare, ut genom mycket små hål och att den uppvisar en hel rad andra icke-klassiska effekter. Den grundläggande förståelsen av en sådan vätskas egenskaper kräver en avancerad form av kvantfysik och dessa starkt nedkylda vätskor kallas därför kvantvätskor. Genom att i detalj studera kvantvätskors egenskaper och jämföra dessa med kvantfysikens förutsägelser, bidrar lågtemperaturforskarna till att vi får värdefull kunskap om grunderna för materiens beskrivning på mikroskopisk nivå.

David M. Lee, Douglas D. Osheroff och Robert C. Richardson upptäckte i början av 1970-talet, i lågtemperaturlaboratoriet vid Cornell University, att heliumisotopen helium-3 kan fås att bli supraflytande vid en temperatur som endast ligger omkring två tusendelar av en grad över den absoluta nollpunkten. Denna supraflytande kvantvätska skiljer sig starkt från den som redan på 1930-talet upptäcktes och studerades vid ungefär två grader (dvs. tusen gånger) högre temperatur i den normala heliumisotopen helium-4. Den nya kvantvätskan helium-3 har mycket speciella egenskaper. Dessa visar bl.a. att mikrofysikens kvantlagar ibland direkt styr beteendet också i makroskopiska kroppar.

Heliums isotoper
I naturen finns ädelgasen helium i två former, isotoper, med fundamentalt olika egenskaper. Helium-4 är den vanligast förekommande medan helium-3 endast förekommer som en mycket liten bråkdel. Helium-4 har en atomkärna med två protoner och två neutroner (siffran 4 står för det sammanlagda antalet nukleoner, dvs. protoner och neutroner). Kärnan omges av ett elektronskal med två elektroner. Att antalet partiklar som bygger upp atomen är ett jämnt tal gör helium-4 till vad man kallar en boson. Atomkärnan i helium-3 har visserligen två protoner, men den har bara en neutron. Eftersom elektronskalet också har två elektroner, innebär detta att helium-3 byggs upp av ett udda antal partiklar, vilket gör den till en så kallad fermion. På grund av att de två heliumisotoperna byggs upp av olika antal partiklar, uppstår dramatiska skillnader i deras beteende när de kyls ner till temperaturer nära den absoluta nollpunkten.

Isotopernas egenskaper
Bosoner som helium-4 följer Bose-Einsteinstatistik, vilket bl.a. leder till att de under vissa betingelser låter sig kondenseras i stort antal i det tillstånd som har lägst energi. Ett fasövergångsförlopp där detta inträffar kallas en Bose-Einsteinkondensation och atomerna i det lägsta energitillståndet sägs utgöra ett Bose-Einsteinkondensat. Den som först lyckades kyla helium-4-gas till så låga temperaturer att den förvätskades var Heike Kamerlingh-Onnes (Nobelpris i fysik 1913). Detta skedde i början av 1900-talet. Han noterade redan då, att när temperaturen kom närmare än ca 2 grader från absoluta nollpunkten så hände något speciellt i vätskan. Men det var först i slutet av 1930-talet som Pjotr Kapitza (Nobelpris i fysik 1978) experimentellt upptäckte fenomenet suprafluiditet i helium-4, ett fenomen som först förklarades schematiskt av Fritz London och senare i detalj av Lev Landau (Nobelpris i fysik 1962). Förklaringarna bygger på att den supraflytande vätskan, vilken uppträder vid en fasövergång då temperaturen endast är 2,17 grader från absoluta nollpunkten, utgör ett slags Bose-Einsteinkondensat av heliumatomer.

Fermioner som helium-3 följer Fermi-Diracstatistik och borde egentligen inte kunna kondenseras till det lägsta energitillståndet. Därmed skulle inte suprafluiditet kunna uppträda i helium-3, som liksom helium-4 kan förvätskas vid en temperatur på några grader över absoluta nollpunkten. Men fermioner kan ändå låta sig kondenseras, fast på ett mer komplicerat sätt. Detta föreslogs i den s.k. BCS-teorin för supraledning i metaller, vilken formulerades på 1950-talet av John Bardeen, Leon Cooper och Robert Schrieffer (Nobelpris i fysik 1972). Teorin utgår från det faktum att elektroner är fermioner (de består ju av bara en partikel, ett udda antal) och därför följer Fermi-Diracstatistik precis som helium-3-atomerna. Men elektroner i starkt nedkylda metaller kan slå sig samman två och två till s.k. Cooper-par, och uppträder då som bosoner. Dessa par kan genomgå Bose-Einsteinkondensation och bilda Bose-Einsteinkondensat. Med utgångspunkt från erfarenheterna av suprafluiditet i helium-4 och supraledning i metaller, var det väntat att även fermionerna i flytande helium-3 borde kunna bilda bosonpar och att alltså suprafluiditet borde kunna erhållas i mycket starkt nedkylda prov av isotopen helium-3. Trots att flera forskargrupper arbetat med problemet i åratal, särskilt under 1960-talet, hade ingen lyckats och många ansåg att det aldrig skulle gå att uppnå suprafluiditet i helium-3.

Upptäckten
Forskarna vid Cornelluniversitetet var lågtemperaturspecialister och hade själva byggt sin apparatur. Med den kunde de producera så låga temperaturer att provet bara befann sig någon tusendels grad från absoluta nollpunkten. David Lee och Robert Richardson var de seniora forskarna, medan Douglas Osheroff var doktorand i gruppen. Egentligen letade de efter ett annat fenomen: en fasövergång till en sorts magnetisk ordning i frusen helium-3-is. För att finna denna fasövergång, studerade man det uppmätta trycket inuti provet som funktion av tiden under det att man sakta ökade och minskade provets volym. Det var studenten Osheroffs skarpa argusögon som uppmärksammade små extra språng i den uppmätta kurvan (Fig. 1). Det är lätt gjort att betrakta sådana små avvikelser som mer eller mindre oförklarliga egenheter hos apparaturen, men denne student och hans äldre medarbetare blev övertygade om att det var en riktig effekt. I en första rapport, som man publicerade 1972, tolkades resultatet som en fasövergång i den fasta helium-3-is som också kan bildas vid dessa låga temperaturer. Men eftersom tolkningen inte stämde perfekt med mätresultaten, genomfördes snabbt en serie kompletterande mätningar. Man lyckades redan samma år, i en andra publikation, visa att det egentligen rörde sig om två fasövergångar i vätskan helium-3. Upptäckten blev inledningen till ett intensivt utforskande av den nya kvantvätskan. Särskilt viktiga insatser gjordes av teoretikern Anthony Leggett, som bidrog till tolkningen av upptäckten. Denna fick därmed mycket stor betydelse för vår kunskap om hur kvantfysikens lagar, formulerade för mikroskopiska system, ibland direkt styr även makroskopiska system.

Fig. 1. Figuren visar trycket inuti ett prov som innehåller en blandning av flytande helium-3 och fast helium-3-is. Provet utsätts först för ett stigande yttre tryck under cirka 40 minuter, därefter minskas det yttre trycket. Notera förändringarna i kurvans lutning vid A och B och de temperaturer vid vilka dessa uppträder. Kurvan liknar den som publicerades av D.D. Osheroff, R.C. Richardson och D.M. Lee i Physical Review Letters 28, 885 (1972), där de nya fasövergångarna i helium-3 först rapporterades. Den är tagen från en artikel av N.D. Mermin och D.M. Lee i Scientific American 1976 (se Lästips).

Suprafluiditet i helium-3
Att den nya vätskan verkligen var supraflytande bekräftades snart efter upptäckten, bl.a. av en forskargrupp under ledning av Olli Lounasmaa vid Tekniska Högskolan i Helsingfors. De mätte dämpningen hos en svängande sträng som placerats i provet och fann att dämpningen minskade med en faktor tusen då den omgivande vätskan genomgick fasövergången till det nya tillståndet. Detta visar att vätskan saknar inre friktion (viskositet).

Senare forskning har visat att helium-3 har åtminstone tre olika supraflytande faser, varav en endast uppträder om provet befinner sig i ett magnetfält. Som kvantvätska uppvisar därmed helium-3 en betydligt mer komplicerad struktur än helium-4. Den är t.ex. anisotrop, vilket betyder att den har olika egenskaper i olika riktningar i rummet, något som inte förekommer i klassiska vätskor, utan mer liknar egenskaperna hos flytande kristaller (jfr Nobelpriset i fysik 1991 till Pierre-Gilles de Gennes).

Sätts en supraflytande vätska i rotation med en rotationshastighet som överskrider ett kritiskt värde uppkommer mikroskopiska virvlar. Detta fenomen, vilket även är känt från supraflytande helium-4, har för helium-3 lett till en omfattande forskning eftersom virvlarna där kan anta mer komplicerade former. Finska forskare har utvecklat en teknik att med hjälp av optiska fibrer direkt observera hur virvlar påverkar ytan hos roterande helium-3 vid temperaturer som bara är en tusendels grad från absoluta nollpunkten.

En fascinerande tillämpning av suprafluiditet i helium-3
Fasövergångarna till suprafluiditet i helium-3 har nyligen använts av två experimentella forskargrupper för att testa en teori som rör hur s.k. kosmiska strängar kan bildas i universum. Dessa mycket stora hypotetiska objekt, vilka anses kunna ha varit viktiga för bildandet av galaxer, kan ha uppstått som en följd av de snabba fasövergångar som tros ha ägt rum en bråkdel av en sekund efter Den Stora Smällen, Big Bang. Forskargrupperna använde neutroninducerade kärnreaktioner för att lokalt och snabbt värma upp sina prov av supraflytande helium-3. När dessa kyldes ner igen bildades nystan av virvlar. Det är dessa virvlar som förmodas motsvara de kosmiska strängarna. Resultatet, som inte får tas som bevis för existensen av kosmiska strängar i universum, är att den teori som testades verkar vara tillämpbar på virvelbildningar i supraflytande helium-3.

David M. Lee
född 1931 i Rye, NY, USA. Amerikansk medborgare. Doktorsgrad i fysik 1959 vid Yale University. Lee har bl.a. erhållit Institute of Physics Sir Francis Simon Memorial Prize 1976 och Oliver E. Buckley Solid State Physics Prize (American Physical Society) 1980 för upptäckten av suprafluiditet i helium-3.

Professor David M. Lee
Department of Physics
Cornell University
Ithaca, NY 14853
USA

Douglas D. Osheroff
född 1945 i Aberdeen, WA, USA. Amerikansk medborgare. Doktorsgrad i fysik 1973 vid Cornell University. Osheroff har bl.a. erhållit Institute of Physics Sir Francis Simon Memorial Prize 1976 och Oliver E. Buckley Solid State Physics Prize (American Physical Society) 1980 för upptäckten av suprafluiditet i helium-3.

Professor Douglas D. Osheroff
Department of Physics
Stanford University
Stanford, CA 94305
USA

Robert C. Richardson
född 1937 i Washington, DC, USA. Amerikansk medborgare. Doktorsgrad i fysik 1966 vid Duke University. Richardson har bl.a. erhållit Institute of Physics Sir Francis Simon Memorial Prize 1976 och Oliver E. Buckley Solid State Physics Prize (American Physical Society) 1980 för upptäckten av suprafluiditet i helium-3.

Professor Robert C. Richardson
Department of Physics
Cornell University
Ithaca, NY 14853
USA