Quantenflüssigkeit

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Eine Quantenflüssigkeit ist eine Flüssigkeit, in der Quanteneffekte auftreten und die nicht mehr mit der klassischen statistischen Mechanik beschrieben werden kann.

Im klassischen Bereich ist die kinetische Energie E=\tfrac{p^2}{2m} je Teilchen der Atommasse m von der Größenordnung k T, so dass sich für den Impuls p \simeq \sqrt{m k T} und für die Wellenlänge (nach de Broglie \lambda=h/p) \lambda\simeq\tfrac{h}{\sqrt{m k T}} ergeben.

Deshalb sind Quanteneffekte für niedrige Temperaturen T zu erwarten, die umso stärker sind, je kleiner die Atommassen m sind. Nach der klassischen Mechanik müssten alle Substanzen in der Nähe von T=0 kristallisieren, da keine kinetische Energie mehr vorhanden ist und Atome wegen der Forderung nach minimaler potentieller Energie stets in einer regulären Gitterstruktur angeordnet sein sollten.

Die Nullpunktenergie ist bei Quantenflüssigkeiten jedoch so groß, dass kein Übergang des Systems in die feste Phase erlaubt ist.

Quantenflüssigkeiten können Suprafluidität aufweisen und lassen sich nach der zugrunde liegenden Statistik einteilen in:

  • Fermi-Flüssigkeiten (z. B. flüssiges 3He oder Leitungselektronen in Metallen im Dreidimensionalen)
  • Bose-Flüssigkeiten (z. B. flüssiges 4He).

Die Existenz des flüssigen Heliums bei beliebig niedrigen Temperaturen ist ein makroskopischer Quanteneffekt.

Im Eindimensionalen tritt an die Stelle der Fermi-Flüssigkeit die Luttingerflüssigkeit, eine spezielle Quantenflüssigkeit, die wegen ihrer ungewöhnlichen Eigenschaften in einem besonderen Artikel beschrieben ist.

1998 bekamen Robert B. Laughlin (US), Horst Ludwig Störmer (DE) und Daniel Chee Tsui (US) den Physik-Nobelpreis "für ihre Entdeckung einer neuen Art von Quantenflüssigkeit mit fraktionell geladenen Anregungen". (Es geht dabei im Wesentlichen um den gebrochenzahligen Quanten-Hall-Effekt.)