Superfluiditet

Superfluiditet er en stofflig fase som karakteriseres ved at fluidet er viskositetsfritt, dvs. et superfluid som er satt i bevegelse vil forbli i bevegelse. Fenomenet har en kvantemekanisk opprinnelse, Bose-Einstein kondensasjon, og fenomenet opptrer ved lave temperaturer. Fasen superfluiditet oppstår etter en annenordens faseovergang.

Superfluiditet kan finnes i følgende systemer

• Bosonisk helium
• Fermionisk helium
• Tynne gasser
• Nøytronstjerneoverflater

Superfluiditet ble oppdaget av Pjotr Kapitsa, John F. Allen og Don Misener i 1937. Teoretisk begrunnelse av fenomenet ble gitt av Lev Landau i 1941.

Bosonisk helium

Bosonisk helium, ⁴He, er den desidert mest vanlige heliumisotopen og heretter kun omtalt som helium. Helium er flytende under 4,22 K (–268,93 °C) og det eneste stoff som aldri blir fast ved kjøling dvs. det har smeltepunkt ved 0 K (ved atmosfærisk trykk). Ved videre avkjøling er helium en vanlig viskøs væske, kalt helium I, ned til den såkalte lambda-temperaturen på 2,172 K (–271 °C), hvor superfluiditet oppstår ved en annenordens faseovergang. Denne fasen er kalt helium II. Det virkelig snodige med helium II er at væsken har en splittet natur: den har en superflytende og en normal komponent som flyter uavhengig av hverandre og avhenger av temperaturen slik at ved lambda-temperaturen er væsken helt normal og ved T=0 K er væsken helt superflytende. Den superflytende komponenten er assosiert med en kompleks ordensparameter som også kan tolkes som en makroskopisk, kvantemekanisk, kompleks, bølgefunksjon. Denne oppstår som resultat av en Bose-Einstein kondensasjon.Ordensparameteren og den annenordens faseovergangen har superfluider til felles med supraledning, som er et relatert fenomen.

Begrunnelsen for mangelen på friksjon i superfluid helium II ble gitt av Lev Landau i 1941 og den skyldes energispekteret: ved lave hastigheter vil det simpelthen ikke være mulig for beholderen å eksitere fononer i væsken og dermed er energioverføring til omgivelsene umulig, og ingen viskositet.

Videre bør det nevnes at superfluidkomponenten har null entropi.

Superflytende helium II har en rekke merkverdige egenskaper

• Væsken er rotasjonsfri med unntak av kvantiserte virvler.
• En temperaturgradient i væsken påvirker ikke superfluidet.
• Superfluidet kryper opp langs veggene i beholderen den er i.
• En roterende plate vil etter en tid stoppe opp, noe som viser eksistensen av en normalkomponent.

Fermionisk helium

Fermionisk helium, ³He, er en forholdsvis sjelden heliumisotop som har kokepunkt på 3.2K. Siden ³He tilfredsstiller Fermi-Dirac statistikk har den helt andre egenskaper ved lave temperaturer en bosonisk helium, så den kan ikke helt uten videre få en Bose-Einstein kondensasjon. Superfluiditet i ³He oppstår ved at atomene parvis adlyder Bose-Einstein statistikk, også kalt Cooperpar. Dette er det samme som skjer med elektronene i en superleder. Overgangen til superfluid skjer ved svært lave temperaturer, av orden mK.

Tynne gasser

Noen gasser under ekstremt lav trykk og temperatur kan være superflytende, f.eks litium. Disse gassene er vanskelige å eksperimentere med, men er svært viktige fordi de er langt enklere å behandle teoretisk enn helium, som er en væske.

Bøker

• E.M.Lifshitz, L.P.Pitaevskii, «Statistical Physics, Part 2 : Volume 9»
• R.J. Donnelly, «Quantized Vortices in Helium II»
• C. J. Pethick, H. Smith, «Bose-Einstein Condensation in Dilute Gases»

Relaterte evner

• Helium
• Kvantemekanikk
• Superledere
• Annenordens faseoverganger