Roton (Physik)

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Das Roton ist eine Anregung von suprafluiden Flüssigkeiten, die von dem russischen Physiker Lew Landau eingeführt wurde. Dieses Quasiteilchen beschreibt die makroskopischen Rotationszustände der suprafluiden Flüssigkeit.

Geschichtlicher Überblick[Bearbeiten]

Die Dispersionsrelation von Helium II-Anregungen.
Für E\approx 0 hat man den linearen Zuwachs der Phononen, nach einem Maximum findet man die Rotonen als metastabile Anregung.

Landaus Ansatz 1941 zur Betrachtung von Helium II bestand in der Quantisierung der beiden makroskopischen Größen Dichte und Geschwindigkeit der Flüssigkeit. Außer der Dispersionsrelation der kollektiven Anregung betrachtete er unter anderem die Wärmekapazität, leitete die hydrodynamischen Gleichungen der Quantenflüssigkeit her und sagte darin den Zweiten Schall vorher. Für niedrige Temperaturen beschrieb er das System als ein Zweiflüssgkeitenmodell, bestehend aus einer suprafluiden und einer normalfluiden Komponente. Der Anteil der suprafluiden Komponente ist dabei temperaturabhängig; diese Komponente verschwindet mit dem Phasenübergang von Helium II auf Helium I am Lambdapunkt. Als Ergebnis dieser makroskopischen Theorie unterschied er Phononen und Rotonen als zwei mögliche kollektive Anregungen der gesamten Quantenflüssigkeit. Den Namen Roton hat er dabei Igor Jewgenjewitsch Tamm zugeschrieben.[1][2]

Andronikashvili versuchte 1946 Landaus Postulate experimentell zu überprüfen. Er maß die Viskosität von Helium II, indem er 100 hauchdünne, runde Aluminiumfolien von ca. 13 μm Dicke im Abstand von 0,2 mm in das Helium senkte, die im Mittelpunkt an einem Draht aufgehängt waren, um den sie sich drehen konnten. Mit dieser Anordnung hatte er einen möglichst großen Impulsübertrag von den aufgehängten Folien auf das flüssige Helium, das er in eine Rotationsbewegung versetzen wollte. Er stellte dabei fest, dass sich die suprafluide Komponente erst ab einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit mitbewegt. Seine Experimente zielten nur auf makroskopische Größen.[3][4]

Richard Feynman schlug Ende der 1950er Jahre vor, die Dispersionsrelation der Anregungen durch Streuexperimente mit Neutronen zu untersuchen. Die Ergebnisse stimmten mit Landaus Postulaten überein.[5][6][2][7]

Durch die Experimente von William Frank Vinen wurde gezeigt, dass die makroskopische Rotationsbewegung quantisiert ist, und dass die Rotonen Quanten des Drehimpulsbetrags tragen.[8][9]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Lew Landau: The theory of superfluidity of helium II. In: D. Ter Haar (Hrsg.): Collected Papers of L.D. Landau. 203, S. 301 (Reprint von JPhys U.S.S.R. 5, 71, 1941; JETP 11, 592, 1941, Kapitel 46 in der Google-Buchsuche).
  2. a b  J. Wilks: The Theory of Liquid 4He. In: Rep. Prog. Phys.. 20, 1957, S. 38-85, doi:10.1088/0034-4885/20/1/302 (PDF von der University of Michigan. Abgerufen am 14. Dezember 2014.).
  3. E. Andronikashvili. J. Phys. USSR 10 , 201 (1946) J. Exp. Theor. Phys. USSR 18, 429 (1946)
  4.  K. R. Atkins: Liquid Helium. Cambridge University Press, 2014, ISBN 9781107638907 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  5.  Richard P. Feynman: Superfluidity and Superconductivity. In: Rev. Mod. Phys.. 29, 1957, S. 205, doi:10.1103/RevModPhys.29.205 (sehr eingeschränkte Vorschau: kein Abstract. Abgerufen am 14. Dezember 2014.).
  6.  John Bardeen: Solid-State Physics: Accomplishments and Future Prospects. In: Sanborn Conner Brown (Hrsg.): Physics 50 Years Later. National Academies, 1873 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  7.  Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik. Band 5. Gase, Nanosysteme, Flüssigkeiten. Walter de Gruyter, 2005, ISBN 9783110174847 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  8.  W. F. Vinen: Detection of Single Quanta of Circulation in Rotating Helium II. In: Nature. 181, 1958, S. 1524-1525, doi:10.1038/1811524a0 (Abstract. Abgerufen am 14. Dezember 2014.).
  9.  W. F. Vinen: The Detection of Single Quanta of Circulation in Liquid Helium II. In: Proceedings A of the Royal Society. 260, Nr. 1301, 1961, S. 218, doi:10.1098/rspa.1961.0029 (Abstract. Abgerufen am 14. Dezember 2014.).