Was ist ein Superfluid?

Eine Superfluid ist eine Phase der Materie, die ohne Energieverlust endlos fließen kann.Diese Eigenschaft bestimmter Isotope wurde 1937 von Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen und Don Misener entdeckt. Es wurde bei sehr niedrigen Temperaturen mit mindestens zwei Isotopen Helium, einem Isotop Rubidium und einem Isotop Lithiums erreicht.

Nur Flüssigkeiten und Gase können Superfluiden sein.Zum Beispiel beträgt der Gefrierpunkt von Heliums 1 K (Kelvin) und 25 Druckatmosphären, die niedrigste aller Elemente, aber die Substanz beginnt, die überflüssige Eigenschaften bei etwa 2 K aufweist. Der Phasenübergang tritt aufNehmen Sie den gleichen Quantenzustand ein.Dies geschieht, wenn die Atome sehr nahe beieinander liegen und so stark abgekühlt sind, dass sich ihre Quantenwellenfunktionen überlappen und die Atome ihre individuellen Identitäten verlieren und sich eher wie ein einzelner Super-Atom als eine Agglomeration von Atomen verhalten.

Ein begrenzender Faktorauf welche Materialien eine Superfluidität aufweisen können und die nicht, dass das Material sehr sehr kalt sein muss (weniger als 4 K) und bei dieser kalten Temperatur flüssig bleiben.Materialien, die bei niedrigen Temperaturen fest werden, können diese Phase nicht annehmen.Bei sehr niedrigen Temperaturen kühlt sich ein superfluidberechtigter Satz von Bosonen, Atome mit einer geraden Anzahl von Nukleonen, zu einem Bose-Einstein-Kondensat, einer superfluidischen Phase der Materie.Wenn Fermionen, Atome mit einer ungeraden Anzahl von Nucleonen wie dem Helium-3-Isotop, auf einige Kelvin abgekühlt werden, reicht dies nicht aus, um diesen Übergang zu verursachen.

Da nur Bosonen leicht zu einem Kondensat von Bose-Einstein werden können, müssen sich Fermionen zuerst miteinander kombinieren, um ein Superfluid zu werden.Dieser Prozess ähnelt der Kooperpaarung von Elektronen, die bei Supraleitern auftreten.Wenn sich zwei Atome mit ungerade Anzahl von Nukleonen miteinander kombinieren, besitzen sie gemeinsam eine gleichmäßige Anzahl von Nucleonen und verhalten sich wie Bosonen, was zu einem überflüssigen Zustand zusammenfasst.Dies wird als Fermionkondensat bezeichnet und entsteht eher am MK (Millikelvin) -Stemperaturniveau als bei einigen Kelvinen.Der wichtigste Unterschied zwischen Atompaarung in einer Superfluid- und Elektronenpaarung in einem Superkonduktor besteht darinFormen der Materie.Da sie keine interne Viskosität haben, bleibt ein Wirbel, der innerhalb eines gebildet wird, für immer bestehen.Ein Superfluid hat keine thermodynamische Entropie und unendliche thermische Leitfähigkeit, was bedeutet, dass kein Temperaturdifferential zwischen zwei oder zwei Teilen derselben Teile existieren kann.Sie können auch aus einem Behälter in einer einatomdicken Schicht auf und aus dem Behälter herausklettern, wenn der Behälter nicht versiegelt ist.Ein konventionelles Molekül, das in eine Superfluid eingebettet ist, kann sich mit voller Rotationsfreiheit bewegen und sich wie ein Gas verhalten.Andere interessante Eigenschaften können in Zukunft entdeckt werden.

Die meisten sogenannten Superfluiden sind nicht rein, sondern sind in der Tat eine Mischung aus einer Flüssigkeitskomponente und einer Superfluid-Komponente.Die potenziellen Anwendungen von Superfluiden sind nicht so aufregend und weitreichend wie die von Supraleitern, aber Verdünnungskühlschränke und Spektroskopie sind zwei Bereiche, in denen sie verwendet wurden.Die vielleicht interessanteste Anwendung heute ist rein lehrreich und zeigt, wie Quanteneffekte unter bestimmten extremen Bedingungen makroskopisch werden können.