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 John F. Allen og Don Misener i 1937, og parallelt også av Pjotr Kapitsa. I 1941 formulerte Lev Landau den teoretiske begrunnelsen bak fenomenet .

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 har superfluidkomponenten null entropi.

Superflytende helium II har en rekke særegne 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. Derfor kan den 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.
Litteratur
 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 emner
 Helium
 Kvantemekanikk
 Superledere
 Annenordens faseoverganger

Kategori:Fluidmekanikk
Kategori:Statistisk fysikk