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Manuel Käsz

• This work gives a detailed introduction into a fully new experimental method to investigate the quantum crystal behavior of solid Helium-4. It has been found that a fascinating new effect occurs in the expansion of solid Helium-4 into a vacuum through pinhole orifices with diameters between 1 and 5 µm. It is observed that the beam flux intensity shows a periodic behavior for source conditions corresponding to the solid phase of Helium-4. The period is in the range of seconds up to minutes. It shows a strong dependence on temperature and source pressure. The oscillating part of the beam flux intensity amounts several percent of the total flux. This new phenomenon has been studied for temperatures between 2.1 K and 1.3 K and pressures up to 30 bar above the melting pressure. The beam flux intensity has been recorded by the vacuum pressure in a pitot vacuum chamber. The jet velocity in the range of 200 m/sec indicates that surprisingly the beam is a liquid jet, whereas the conditions in the source correspond to the solid state. In this work mainly the behavior of the flux modulation has been studied as a function of pressure and temperature and the influence of the isotope Helium-3. Furthermore geometrical aspects such as the influence of the nozzle diameter d0 have been investigated. In order to explain this novel phenomenon a kinetic model based on the injection of excess vacancies into the solid is proposed. According to this model the vacancies are generated at a solid/liquid interface. Forced by drift and diffusion they accumulate at some distance from the orifice, leading to the collapse of the solid. With the subsequent re-injection of vacancies the effect repeats and turns out to be periodical. The reproducibility of the time dependent beam flux intensity is demonstrated for a wide range of temperatures and pressures and gives direct access to values such as the temperature and pressure dependence of the vacancy diffusion coefficient Dv in the range of 10 high -5 cm high 2/sec, the recombination time of vacancies with interstitials T r near 1-20 sec and the vacancy activation energy f near 20 K. The good agreement with former experimental results by Zuev et al. [131] confirms the applicability of the theoretical model. As a result from the kinetic model the vacancy concentration is increased above the equilibrium vacancy concentration, caused by the injection of excess vacancies. Therefore, the most important discovery is the possibility of generating a non-equilibrium quantum solid. The investigation of this non-equilibrium solid leads to the discovery of a fluid-like regime in the solid phase of Helium-4 at temperatures below T = 1.58 K. The result gives a strong indication for the supersolid state, especially because the fluid-like behavior of the solid can be eliminated with smallest concentrations of Helium-3.
• Im Jahr 2001 wurde im Zusammenhang mit der Untersuchung der Vakuumexpansion flüssigen Helium-4 durch eine Düse mit Durchmessern im Bereich von 1-5 µm ein neuartiger Effekt beobachtet. Dieser Effekt bietet einen völlig neuen experimentellen Zugang zum Verständnis von sogenannten Quanten-Festkörpern. In diesen Experimenten zeigten sich periodische Fluktuationen des Vakuums, nachdem der Düsendruck soweit erhöht wurde, dass sich in der Düse Bedingungen für den Helium-Festkörper ergaben. Die Fluktuationen zeigten Periodendauern in der Gröÿenordnung von Sekunden und Minuten und variierten sowohl mit der Düsentemperatur als auch mit dem Düsendruck. Der Ursprung dieser Oszillationen lässt sich auf Intensitätsschwankungen des interessanterweise flüssigen Helium-Strahls zurückführen. Diese Arbeit bildet die erste systematische und detaillierte Untersuchung dieses Phänomens. Die oszillierende Fluktuation der Strahl-Intensität wurde im Bezug auf die Periodendauer und den Intensitätsverlauf innerhalb einer Periode im Bereich zwischen 2.1 und 1.3 Kelvin und Düsendrücken bis zu 30 bar oberhalb des Schmelzdruckes untersucht. Der oszillatorische Effekt wurde ebenfalls durch die Zugabe des Isotopes Helium-3 in Konzentrationen im Bereich von 0.0015 und 1 Prozent untersucht. Ein theoretisches Modell erklärt den Effekt durch die Injektion von Gitterfehlstellen (Vacancies) in den Festkörper an einem flüssig-fest Phasenübergang, der unmittelbar an der Düse vermutet wird. Die Erzeugung von zusätzlichen Fehlstellen führt zu einem induzierten Kollaps des Festkörpers, welcher sich periodisch wiederholt. Das theoretische Modell zeigt, dass ein Quanten-Festkörper erzeugt wurde, welcher - aufgrund der erhöhten Fehlstellen-Konzentration - nicht im thermischen Gleichgewicht steht. Bei den Untersuchungen dieses Nicht-Gleichgewicht-Festkörpers zeigte sich ein Bereich im Phasendiagram des Festkörpers, in dem sich dieser wie eine ideale Flüssigkeit verhält. Dies ist ein eindeutiges Anzeichen für die Entdeckung des Supersolids, der im Jahre 1969 durch Andreev und Lifshitz [3] theoretisch als eine Bose-Einstein-Kondensation von Gitterfehlstellen progostiziert wurde. Dieser Zustand bildet das Pendant zu dem Effekt der Superfluidität in der flüssigen Phase von Helium-4 bei Temperaturen unterhalb der Lambda-Linie. ......... In diesem Experiment wurde die Expansion eines Quantum Festkörpers ins Vakuum untersucht. Es zeigte sich ein periodisches Verhalten der Jet-Intensität bei Konditionen entsprechend dem festen Zustand. Ein theoretisches Modell erklärt diesen Effekt als eine künstliche Einbringung von Gitterfehlstellen in den Festkörper, welche - getrieben durch Drift und Diffusion - den periodischen Kollaps des Festkörpers induzieren. Mit diesem Verfahren eröffnet sich die Möglichkeit der Herstellung eines Quanten Festkörpers im Nicht-Gleichgewicht durch die Erhöhung der Fehlstellen-Konzentration überhalb des thermischen Gleichgewichts. Aus dem theoretischen Model ergibt sich, dass die Periodendauer der Oszillationen als Indikator für die Mobilität der Fehlstellen fungiert. Dies erlaubt eine umfassende Studie dieses Quanten-Festkörpers. Das wichtigste Ergebnis ist das Verhalten des Festkörpers als eine ideale Flüssigekeit unterhalb von 1.58 K, welches eindeutige Hinweise auf den experimentellen Nachweis des supersoliden Zustands liefert. Zukünftige Ziele richten sich auf die Erforschung dieses Nicht-Gleichgewicht Festkörpers bei Temperaturen unter 1.3 K. Es ist interessant herauszufinden, wie die beiden Phasengrenzen pu(T) und p theta (T) sich bei tieferen Temperaturen verhalten. Ebenso interessant ist die Untersuchung bei höheren Drücken, da die Quanten-Natur des Helium-Festkörpers mit zunehmenden Druck in klassisches Verhalten übergeht. Weiterhin gilt es, das theoretische Modell in einigen Details zu erweitern. Das oszillierende Verhalten unter 1.58 K ist mit dem vorgestellten theoretischen Ansatz nicht zu reproduzieren. Die kinetische Transportgleichung der Fehlstellen konnte die zeitliche Jet-Intensität über 1.58 K in guter Übereinstimmung wiedergeben. Allerdings treten im Experiment weitere Effekte auf, die eine exakte Reproduktion der Ergebnisse in einigen Fällen erschwerte.