Hvad er en superfluid?

En superfluid er en fase af stof, der er i stand til at strømme uendeligt uden energitab.Denne egenskab af visse isotoper blev opdaget af Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen og Don Misener i 1937. Det er opnået ved meget lave temperaturer med mindst to isotoper af helium, en isotop af rubidium og en isotop af lithium.

Kun væsker og gasser kan være superfluider.F.eksbesætte den samme kvantetilstand.Dette sker, når atomerne placeres meget tæt sammen og afkøles så meget, at deres kvantebølgefunktioner begynder at overlappe hinanden, og atomerne mister deres individuelle identiteter, opfører sig mere som et enkelt superatom end en agglomeration af atomer.På hvilke materialer kan udvise overflødighed, og som ikke kan, er, at materialet skal være meget koldt (mindre end 4 K) og forblive flydende ved denne kolde temperatur.Materialer, der bliver faste ved lave temperaturer, kan ikke antage denne fase.Når det afkøles til meget lave temperaturer, dannes et superfluid-klar sæt bosoner, atomer med et jævnt antal nukleoner, til et Bose-Einstein-kondensat, en superfluidfase af stof.Når fermioner, atomer med et underligt antal nukleoner, såsom helium-3-isotop, køles ned til et par kelvin, er dette ikke tilstrækkeligt til at forårsage denne overgang.

Fordi kun bosoner let kan blive et Bose-Einstein-kondensat, skal fermioner først parre sig sammen med hinanden for at blive en overflødig.Denne proces ligner Cooper -parringen af elektroner, der forekommer i superledere.Når to atomer med ulige antal nukleoner parrer sig sammen med hinanden, besidder de kollektivt et jævnt antal nukleoner og begynder at opføre sig som bosoner og kondenserer sammen til en superfluid tilstand.Dette kaldes et fermionkondensat og fremkommer kun ved MK (Millikelvin) temperaturniveau snarere end ved et par Kelvins.Den vigtigste forskel mellem atomparring i en superfluid og elektronparring i en superleder er, at atomparringen er formidlet af kvante spin -svingninger snarere end af fonon (vibrerende energi) udveksling.

Superfluider har nogle imponerende og unikke egenskaber, der adskiller dem fra andreformer for stof.Fordi de ikke har nogen intern viskositet, fortsætter en hvirvel dannet inden for en for evigt.En superfluid har nul termodynamisk entropi og uendelig termisk ledningsevne, hvilket betyder, at der ikke kan eksistere nogen temperaturforskel mellem to superfluider eller to dele af den samme.De kan også klatre op og ud af en beholder i et et-atom-tykt lag, hvis beholderen ikke er forseglet.Et konventionelt molekyle, der er indlejret i en superfluid, kan bevæge sig med fuld rotationsfrihed og opføre sig som en gas.Andre interessante egenskaber kan opdages i fremtiden.

De fleste såkaldte superfluider er ikke rene, men er faktisk en blanding af en flydende komponent og en overflødig komponent.De potentielle anvendelser af superfluider er ikke så spændende og vidtgående som superledere, men fortyndingskøleskabe og spektroskopi er to områder, hvor de har fundet brug.Den mest interessante anvendelse i dag er måske rent uddannelsesmæssig, hvilket viser, hvordan kvanteeffekter kan blive makroskopisk i skala under visse ekstreme forhold.