Vad är en superfluid?
En superfluid är en fas av materia som kan flyta oändligt utan energiförlust.Denna egenskap hos vissa isotoper upptäcktes av Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen och Don Misener 1937. Det har uppnåtts vid mycket låga temperaturer med minst två isotoper av helium, en isotop av rubidium och en isotop av litium.
Endast vätskor och gaser kan vara superfluider.Till exempel är Heliums fryspunkt 1 K (Kelvin) och 25 atmosfärer av tryck, det lägsta av något element, men ämnet börjar uppvisa överflödiga egenskaper vid cirka 2 K. Fasövergången inträffar när alla beståndsdelar i ett prov börjar till att uppvisa överflödiga egenskaper vid cirka 2 K.upptar samma kvanttillstånd.Detta händer när atomerna placeras mycket nära varandra och kyls så mycket att deras kvantvågfunktioner börjar överlappa varandra och atomerna förlorar sina individuella identiteter och uppträder mer som en enda superatom än en agglomeration av atomer.
en begränsande faktorpå vilka material kan uppvisa överfluiditet och som inte kan är att materialet måste vara väldigt kallt (mindre än 4 K) och förbli flytande vid denna kalla temperatur.Material som blir fasta vid låga temperaturer kan inte anta denna fas.När den kyls till mycket låga temperaturer bildas en överflödig uppsättning bosoner, atomer med ett jämnt antal nukleoner, till ett Bose-Einstein-kondensat, en överflödig fas av materia.När fermioner, atomer med ett udda antal nukleoner såsom helium-3-isotopen, kyls ner till några få Kelvin, är detta inte tillräckligt för att orsaka denna övergång.
Eftersom bara bosoner lätt kan bli ett Bose-Einstein-kondensat, måste fermioner först para ihop med varandra för att bli en överflödig.Denna process liknar Cooper -parningen av elektroner som förekommer hos superledare.När två atomer med udda antal nukleoner går ihop med varandra, har de kollektivt ett jämnt antal nukleoner och börjar bete sig som bosoner och kondenseras tillsammans till ett överflödigt tillstånd.Detta kallas ett fermionkondensat och framträder endast vid MK (Millikelvin) temperaturnivå snarare än vid några få Kelvins.Den viktigaste skillnaden mellan atomparning i en superfluid- och elektronparning i en superledare är att atomparningen medieras av kvantspinnfluktuationer snarare än av fonon (vibratorisk) utbyte.
Superfluider har några imponerande och unika egenskaper som skiljer dem från andraformer av materia.Eftersom de inte har någon inre viskositet kvarstår en virvel som bildas inom en för evigt.En superfluid har noll termodynamisk entropi och oändlig värmeledningsförmåga, vilket innebär att ingen temperaturskillnad kan existera mellan två superfluider eller två delar av samma.De kan också klättra upp och ut ur en behållare i ett atomlager om behållaren inte är förseglad.En konventionell molekyl inbäddad i en superfluid kan röra sig med full rotationsfrihet och bete sig som en gas.Andra intressanta egenskaper kan upptäckas i framtiden.
De flesta så kallade superfluider är inte rena, men är i själva verket en blandning av en vätskekomponent och en superfluidkomponent.De potentiella tillämpningarna av superfluider är inte lika spännande och omfattande som för superledare, men utspädningskylskåp och spektroskopi är två områden där de har hittat användning.Den kanske mest intressanta applikationen idag är rent pedagogiskt och visar hur kvanteffekter kan bli makroskopiska i skala under vissa extrema förhållanden.