Quantenwirbel in Heliumtröpfchen

Quantenwirbel wurden experimentell in verschiedenen Bereichen der Physik, wie zum Beispiel in Supraleitern, Bose-Einstein Kondensaten und superfluidem Helium beobachtet. Sie gehören zu den eindrücklichsten Merkmalen der Superfluidität. Ziel des vorliegenden Antrags ist die experimentelle Untersuchung quantisierter Wirbel in Heliumtröpfchen. Während theoretische Studien Quantenwirbel bereits für Tröpfchen mit nur 300 He-Atomen vorhergesagt haben, sind in Experimenten millionenfach größere Tröpfchen erforderlich, um diese makroskopische Signatur von Superfluidität zu zeigen. Allerdings weisen nicht alle Tröpfchen über dieser kritischen Größe Wirbelsignaturen auf. Nach aktuellem Verständnis ist die Entstehung quantisierter Wirbel ein stochastischer Prozess, der wenig reproduzierbar ist. Daher kann jedes Tröpfchen eine andere Größe, einen anderen Drehimpuls und folglich eine andere Wirbelstärke aufweisen. Vorstudien im Labor eines Kollaborationspartners in Leicester deuten darauf hin, dass Kollisionen von Heliumtröpfchen mit Oberflächen unter streifendem Einfall Quantenwirbel in den Heliumtröpfchen bilden. Durch solche Kollisionen nehmen den Heliumtröpfchen auf wohldefinierte Weise Drehimpuls auf. Im vorliegenden Projekt wird dieses Verfahren eingesetzt, um Quantenwirbel in neutralen und geladenen Heliumtröpfchen zu erforschen. Die Drehimpulsaufnahme beim Aufprall von Heliumtröpfchen auf Oberflächen soll für unterschiedliche Materialen, Temperaturen und Einfallswinkel sowie der Tröpfchengröße untersucht werden. Mithilfe eines optischen Mikroskops wird die Formveränderung rotierender mikrometergroßer Heliumtröpfchen untersucht. Darüber hinaus ist geplant, die Position von Ladungszentren in mehrfach geladenen Heliumtröpfchen mit und ohne quantisierte Wirbel zu bestimmen. Darüber hinaus wird das Potenzial rotierender Heliumtröpfchen zur Herstellung supraleitender Nanodrähte erforscht. Drei PhD Studierende werden die vorgeschlagenen Experimente durchführen. In der Anfangsphase dieses Projekts werden dabei bestehende Experimente angepasst und neue Teile konstruiert. Die Studierenden werden dabei vom Antragsteller und zwei erfahrenen Postdocs der Gruppe in Innsbruck unterstützt und angeleitet. Darüber hinaus werden internationale Kooperationen mit Forschungsgruppen in Großbritannien, Frankreich und Italien sowie eine Zusammenarbeit mit dem Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck zum Erfolg dieses Projekts beitragen.