Techniklexikon

spinpolarisierter Wasserstoff

Supraleitung, Tieftemperaturphysik und -technik , atomarer Wasserstoff, bei dem die Elektronenspins parallel stehen. Wasserstoff besteht aus einem Proton und einem Elektron und kann daher einen Gesamtspin von 0 oder 1 annehmen, ist also ein Boson. Atomarer Wasserstoff ist sehr instabil (Tieftemperaturphysik) und bildet sich in molekularen Wasserstoff H₂ um, wenn keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden, dies zu verhindern.

Die Instabilität des atomaren Wasserstoffs ist aus den unterschiedlichen Verläufen der potentiellen Energie mit dem Abstand zweier Wasserstoffkerne für atomaren Wasserstoff in den beiden möglichen Spinkonfigurationen ersichtlich: Zwei Wasserstoffkerne im Singulett-Zustand (beide Elektronenspins antiparallel) erfahren ein Muldenpotential, in dem sich mehrere gebundene Zustände befinden. Aber zwei Wasserstoffatome im Triplett-Zustand (Elektronenspins parallel) bilden nur eine schwache Mulde aus, in der wegen der hohen Nullpunktsenergie des Wasserstoffs keine gebundenen Zustände existieren.

Produziert man also spinpolarisierten Wasserstoff – d.h. alle Spins parallel –, verlängert sich die Lebensdauer des atomaren Wasserstoffs erheblich, so dass man Experimente an ihm durchführen kann. Spinpolarisierter Wasserstoff hat sehr schwache interatomare Wechselwirkungen; man erwartet, dass die Gasphase bis T = 0 existiert, was dieses Material einzigartig machen würde! (Bose-Einstein-Kondensation, ³He, ⁴He). Dies wurde experimentell bis 85 mK bestätigt (1990). Wasserstoffgas sollte ein ideales Bose-Gas sein, mit der Kondensationstemperatur  (m_H: Masse des Wasserstoffs, k_B: Boltzmann-Faktor). Anders als bei flüssigem Helium ist die Dichte n hier variabel (Suprafluidität).