Techniklexikon

3He-Supraleitung

³HeSupraleitung, Tieftemperaturphysik und -technik , das aus einem Neutron und zwei Protonen bestehende leichte stabile Isotop des Helium. Oberhalb von etwa 1 K verhält sich ³He wie eine klassische Flüssigkeit, unterhalb zeigt es einem idealen Fermi-Gas verwandte Eigenschaften, z.B. wird die magnetische Suszeptibilität nahezu unabhängig von der Temperatur, während sie oberhalb von 1 K dem Curie-Gesetz gehorcht. Allerdings können nicht alle Eigenschaften quantitativ durch das Fermi-Gas-Modell beschrieben werden, eine bessere Erklärung liefert die Theorie der Fermi-Flüssigkeit von L. Landau.

Da sowohl der Kern als auch das eine abgeschlossene Elektronenhülle tragende neutrale ³He-Atom ungradzahligen Spin haben, sind diese Fermionen und können daher bei tiefen Temperaturen kein Bose-Einstein-Kondensat bilden. Dennoch kann auch ³He supraflüssig werden, und zwar aufgrund eines der Supraleitung verwandten Mechanismus: je zwei Helium-Atome bilden ein bosonisches Quasiteilchen mit Gesamtspin S = 1; diese Quasiteilchen verhalten sich wie die He-II-Atome und können sich zu einem kollektiven Grundzustand vereinigen. Allerdings sind die hydrodynamischen Eigenschaften aufgrund der Paarstruktur anisotrop. Aufgrund der Schwäche der Paarwechselwirkung liegt die Übergangstemperatur zum suprafluiden Zustand bei ³He im mK-Bereich und damit um etwa einen Faktor 1000 unter der von ⁴He; andererseits erhöht die Paarwechselwirkung die bei rund 50 nK liegende Ordnungstemperatur der Kernspins um einen Faktor 40. Je nachdem, wie Spin S und Bahndrehimpuls L des Paares zu einem äusseren Magnetfeld B eines ³He-Paares orientiert sind, bilden sich verschiedene Phasen aus. In der ferromagnetischen ³He-A₁-Phase stehen S parallel und L senkrecht zu B, in der antiferromagnetischen ³He-A-Phase steht S mit gleicher Wahrscheinlichkeit parallel und antiparallel zu B, L steht senkrecht auf S. In der paramagnetischen ³He-B-Phase schliesslich ist J = L + S = 0, L und S stehen antiparallel. Abb. 1 zeigt das Druck-Temperatur-Magnetfeld-Phasendiagramm. Oberhalb von etwa 35 bar = 3,5 Mpa wird ³He fest. Die normalflüssige Phase wird auch mit ³He-N bezeichnet. Die verschiedenen Phasen des supraflüssigen ³He zeigen eine Fülle von interessanten und teilweise noch unverstandenen Phänomenen, u.a. ist ³He-A die einzige bekannte magnetische Supraflüssigkeit. Wegen der geringen Übergangstemperatur ist ³He ein wichtiges Kühlmittel zur Erzeugung tiefer Temperaturen. Von grossem Interesse sind auch ³He-⁴He-Gemische, diese bilden u.a. die Grundlage der ³He-⁴He-Entmischungskühlung (engl.: dilution refrigeration). (Fermiflüssigkeit, Suprafluidität)

In der Umweltphysik ist das in einer Gasprobe gemessene Verhältnis von ³He zu ⁴He ein natürlicher Tracer. In der freien Atmosphäre beträgt dieses Verhältnis etwa 1,38 · 10^-6, es kann aber durch verschiedene Prozesse beeinflusst werden: Einerseits ist ³He das Zerfallsprodukt des radioaktiven Wasserstoffisotops Tritium und kann somit im Rahmen der Tritium-Methode zur Angabe der seit einer künstlichen Tracerung mit diesem Isotop vergangenen Zeit bzw. zur Angabe der seit dem Maximum der Atomwaffentests in den 60er Jahren verstrichenen Zeit benutzt werden. Andererseits erhöht sich in einer in Gestein eingeschlossenen Probe nach Abschluss von der freien Atmosphäre der Gehalt an ⁴He, da dieses durch radioaktiven Alphazerfall kontinuierlich im Erdinneren gebildet wird; damit bedeutet ein niedriges ³He : ⁴He-Verhältnis hohes Alter der Gesteinsprobe.

³He 1: Phasendiagramm für supraflüssiges ³He.

³He 2: Temperaturabhängigkeit der molaren Wäremkapazität beim Schmelzdruck und einem Magnetfeld von 0,88 T. Die Sprünge zeigen die Phasenübergänge von ³He-N nach ³He-A₁ und dann nach ³He-A an.