Wat is een superfluïde?

Een superfluïde is een fase van materie die in staat is eindeloos te stromen zonder energieverlies.Deze eigenschap van bepaalde isotopen werd ontdekt door Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen en Don Misener in 1937. Het is bereikt bij zeer lage temperaturen met ten minste twee isotopen van helium, een isotoop van rubidium en één isotoop van lithium.

Alleen vloeistoffen en gassen kunnen superfluïden zijn.Helihs bevriespunt is bijvoorbeeld 1 K (kelvin) en 25 atmosferen van druk, de laagste van elk element, maar de stof begint superfluïde eigenschappen te vertonen bij ongeveer 2 K. De faseovergang vindt plaats wanneer alle samenstellende atomen van een monster beginnenbeslaat dezelfde kwantumstaat.Dit gebeurt wanneer de atomen heel dicht bij elkaar worden geplaatst en zo veel worden afgekoeld dat hun kwantumgolffuncties beginnen te overlappen en de atomen hun individuele identiteit verliezen, zich meer als een enkel superatoom gedragen dan een agglomeratie van atomen.Op welke materialen superfluiditeit kunnen vertonen en wat niet kan, is dat het materiaal heel erg koud moet zijn (minder dan 4 K) en vloeibaar moet blijven bij deze koude temperatuur.Materialen die vast worden bij lage temperaturen kunnen deze fase niet veronderstellen.Wanneer gekoeld tot zeer lage temperaturen, vormt een superfluïde-ready set bosonen, atomen met een even aantal nucleonen, in een Bose-Einstein-condensaat, een superfluïde fase van materie.Wanneer fermionen, atomen met een oneven aantal nucleonen zoals de helium-3-isotoop, worden afgekoeld tot enkele kelvin, is dit niet voldoende om deze overgang te veroorzaken.

Omdat alleen bosonen gemakkelijk een Bose-Einstein-condensaat kunnen worden, moeten fermions eerst met elkaar koppelen om een superfluïde te worden.Dit proces is vergelijkbaar met de cooper -koppeling van elektronen die plaatsvinden in supergeleiders.Wanneer twee atomen met een vreemde aantallen nucleonen bij elkaar passen, bezitten ze gezamenlijk een even aantal nucleonen en beginnen ze zich als bosonen te gedragen, samen in een superfluïde toestand.Dit wordt een Fermion -condensaat genoemd en komt alleen op het temperatuurniveau van Mk (Millikelvin) in plaats van bij enkele Kelvins.Het belangrijkste verschil tussen atoomparen in een superfluïde en elektronenparen in een supergeleider is dat de atoomparen wordt gemedieerd door kwantumspinschommelingen in plaats van door fonon (vibrerende energie) uitwisseling.

Superfluïden hebben een aantal indrukwekkende en unieke eigenschappen die ze onderscheiden van anderevormen van materie.Omdat ze geen interne viscositeit hebben, blijft een draaikolk die binnen één wordt gevormd, voor altijd.Een superfluïde heeft nul thermodynamische entropie en oneindige thermische geleidbaarheid, wat betekent dat er geen temperatuurverschil kan bestaan tussen twee superfluids of twee delen van dezelfde.Ze kunnen ook op en uit een container klimmen in een een-atoom-dikke laag als de container niet is verzegeld.Een conventionele molecule ingebed in een superfluïde kan bewegen met volledige rotatievrijheid en zich gedraagt als een gas.Andere interessante eigenschappen kunnen in de toekomst worden ontdekt.

De meeste zogenaamde superfluïden zijn niet zuiver, maar zijn in feite een mengsel van een vloeistofcomponent en een superfluïde component.De potentiële toepassingen van superfluïden zijn niet zo opwindend en breed als die van supergeleiders, maar verdunningskoelkasten en spectroscopie zijn twee gebieden waar ze gebruik hebben gevonden.Misschien is de meest interessante toepassing van vandaag puur educatief, waaruit blijkt hoe kwantumeffecten onder bepaalde extreme omstandigheden macroscopisch kunnen worden.